Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile

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1 Università degli Studi di Parma Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Civile Lezioni di PROGETTAZIONE AVANZATA DI INFRASTRUTTURE VIARIE (5CFU) Prof. Ing. Felice Giuliani LEZIONE n. 4 Le pavimentazioni in calcestruzzo Il progetto e le prescrizioni di capitolato Argomenti trattati 1a Parte Introduzione alle pavimentazioni in calcestruzzo Cenni ai criteri di dimensionamento Caratterizzazione del sottofondo Caratteristiche del calcestruzzo Giunti 2a Parte Prescrizioni di capitolato - Materiali - Costruzione (posa, maturazione, giunti) - Controlli 1

2 INTRODUZIONE Una pavimentazione in calcestruzzo è costituita essenzialmente da una LASTRA DI CONGLOMERATO CEMENTIZIO poggiante su una FONDAZIONE DI MATERIALE GRANULARE che trasferisce il carico al terreno in sito (SOTTOFONDO) Grazie all elevata rigidezza della lastra di calcestruzzo i carichi veicolari sono distribuiti su un area di sottofondo più estesa rispetto alle pavimentazioni in conglomerato bituminoso Pavimentazione in calcestruzzo (RIGIDA) Pavimentazione congl. bituminoso (FLESSIBILE) Corso di Progettazione avanzata di infrastrutture viarie Lez. 04 CAMPI DI IMPIEGO 1. PAVIMENTAZIONI STRADALI Autostrade e strade a grande traffico (PCP), ma anche viabilità secondaria, parcheggi, marciapiedi 2. PAVIMENTAZIONI AEROPORTUALI In alcuni casi come i piazzali di sosta (aprons) e le testate delle piste di volo le pavimentazioni rigide sono prescritte da alcune normative 3. PAVIMENTAZIONI INDUSTRIALI Per parcheggi, marciapiedi, pavimentazioni di magazzini o edifici industriali o per l'industria pesante 2

3 Pavimentazioni a lastre non armate con giunti Corso di Progettazione avanzata di infrastrutture viarie Lez. 04 TIPOLOGIE COSTRUTTIVE (Jointed Plain Concrete Pavement - JPCP) PIANTA Giunti trasversali m SEZIONE Barre di compartecipazione Le pavimentazioni in calcestruzzo a lastre non armate sono costituite da un insieme di lastre, prive di armatura strutturale, tra cui la compartecipazione è realizzata attraverso un sistema di giunti longitudinali e trasversali. I giunti consentono di controllare le deformazioni del calcestruzzo limitando le sollecitazioni di origine meccanica termica ed igrometrica. TIPOLOGIE COSTRUTTIVE Pavimentazioni a lastre armate con giunti Corso di Progettazione avanzata di infrastrutture viarie Lez. 04 (Jointed Reinforced Concrete Pavement - JRCP) PIANTA Fessurazione 4.5 m m SEZIONE Armatura (rete elettrosaldata) L inserimento dell armatura consente una piccola riduzione dello spessore e l aumento della spaziatura dei giunti. Compito dell armatura è anche quello di contenere l apertura delle fessure da ritiro che comunque si formano. 3

4 Corso di Progettazione avanzata di infrastrutture viarie Lez. 04 TIPOLOGIE COSTRUTTIVE Pavimentazioni ad armatura continua (Continously Reinforced Concrete Pavement) - CRCP PIANTA Fessurazione diffusa SEZIONE Armatura continua Le pavimentazioni in calcestruzzo ad armatura continua sono costituite da una lastra continua di calcestruzzo, provvista di un armatura, anch essa senza soluzione di continuità, cui è affidato il compito di guidare la formazione di un sistema di fessure uniformemente distribuite, ravvicinate e di piccola ampiezza. DIMENSIONAMENTO MODELLO DI WESTERGAARD (1929) Piastra, omogenea, isotropa, linearmente elastica, di dimensioni finite Mezzo che fornisce, in ciascun punto, una reazione verticale proporzionale alla deflessione della piastra k f cfm La soluzione di Westergaard considera il carico trasmesso da una ruota singola distribuito uniformemente su un area circolare (r = a) posizionata: Al centro della piastra Sul bordo della piastra Su un angolo della piastra σ t,max < α f cfm 4

5 DIMENSIONAMENTO MODELLO DI WESTERGAARD (1929) Carico posizionato al centro della lastra: σ t,max ( + ν) ρ = P log h b σ t,max h: spessore della lastra P: carico verticale applicato ν: coeff. di Poisson del Calcestruzzo (0.15) ρ: raggio di rigidezza relativa = 4 B k = 4 Eh 3 2 ( 1 ν ) 12 k b: raggio di impronta fittizio = a 1. 6a 2 + h h se a 1.724h se a < 1.724h Fondazione e sottofondo - Portanza La caratteristica elastica del sottofondo impiegata nell analisi di Westergaard è il MODULO DI REAZIONE DEL SOTTOFONDO (FONDAZIONE) d p = k * d [k] = MPa/m p La FONDAZIONE deve trasmettere al suolo, attenuandoli, le sollecitazioni indotte dai carichi applicati sulla pavimentazione. Deve essere costruita con materiali selezionati, posti in opera in spessori e con modalità tali da fornire una portanza uniforme. Il valore di k dipende: dalla portanza del sottofondo (terreno in sito) caratteristiche del materiale di fondazione spessore fondazione In fase di PROGETTO k può essere stimato misurato (campo prova) In fase di COSTRUZIONE k deve essere misurato (CONTROLLO) PROVA DI CARICO SU PIASTRA 5

6 Stima del Modulo di Reazione (k) Classificazione del terreno di SOTTOFONDO: P 200 = 50% W L = 35% I P = 10% Umidità del terreno di SOTTOFONDO: W = 22% k SOTTOFONDO = 100 pci = 27.2 MPa/m Grado di Costipamento 90-95% Stima del Modulo di Reazione (k) k SOTTOFONDO = 100 pci = 27.2 MPa/m FONDAZIONE IN MISTO GRANULARE (CNR-UNI 10006) s = 30 cm (12 ) Grado di Costipamento 90-95% MODULO DI REZIONE (pci) k FONDAZIONE = 190 pci = 51.7 MPa/m SPESSORE FONDAZIONE (in) 6

7 Misura del Modulo di Reazione (k) Prova di carico su piastra (CNR BU n. 146/92) Per la prova si utilizza una piastra circolare D = 760mm Il carico viene trasmesso attraverso un martinetto idraulico utilizzando come contrasto un camion o un qualsiasi altro mezzo di cantiere di peso adeguato. Per evitare flessioni della piastra si interpongono tra questa ed il martinetto altre tre piastre D=600, 450 e 300mm Gli abbassamenti sono misurati con 3 comparatori disposti a 120 sorretti da un telaio i cui punti di appoggio siano sufficientemente distanti dalla piastra. Misura del Modulo di Reazione (k) Prova di carico su piastra (CNR BU n. 146/92) 0.00 Pressione applicata [Nmm -2 ] Cedimento N.1 Cedimenti misurati [mm] Pressione Cedimenti Media N/mm 2 F1 (mm) F2 (mm) F3 (mm) (mm) Cedimento N.2 Cedimento N.3 MEDIA MODULO DI REAZIONE k = p / z 2.50 Strato Carico di riferimento k [MPa/m] fondazione N/mm

8 Corso di Progettazione avanzata di infrastrutture viarie Lez. 04 Modulo di Reazione (k) Il valore della capacità portante (k) contribuisce alla determinazione dello spessore della lastra È ESSENZIALE CHE LA CAPACITÀ PORTANTE SIA UNIFORME CONTROLLO DELLA POSA IN OPERA Corso di Progettazione avanzata di infrastrutture viarie Lez. 04 Fondazione e sottofondo PROTEZIONE DALL AZIONE DELL ACQUA E DEL GELO Infiltrazioni attraverso giunti trasversali e lesioni Infiltrazioni attraverso giunti longitudinali Infiltrazioni da terreni circostanti Risalita capillare Variazioni stagionali del livello di falda 8

9 Fondazione e sottofondo: protezione e drenaggio IL FENOMENO DEL POMPAGGIO (PUMPING) Lastra cls fondazione (satura) sottofondo (saturo) direzione del movimento direzione del movimento acqua in pressione Il gradiente di pressione provoca un violento spostamento dell acqua che porta con se la frazione fine Fondazione e sottofondo: protezione e drenaggio D D fondazione 15 sottofondo 15 > 4 > D D fondazione 15 sottofondo 85 Fondazione (con funzione di filtro) Fondazione ad elevata permeabilità - open graded (con funzione drenante) Tubo finestrato Filtro di geotessile 9

10 Caratteristiche della Lastra in Calcestruzzo - Pillole di tecnologie del calcestruzzo - LINEE GUIDA sul calcestruzzo strutturale AGGREGATO GROSSO Il calcestruzzo è un materiale composito che si ottiene miscelando: ACQUA CEMENTO AGGREGATI PASTA CEMENTIZIA a/c PASTA CEMENTIZIA AGGREGATO FINE (IMMERSO NELLA PASTA) Oltre a questi componenti il calcestruzzo può contenere ADDITIVI AGGIUNTE Aggregati per Calcestruzzo (UNI EN 12620) (già UNI 8520) individua una serie di caratteristiche che definiscono la QUALITÀ DEGLI AGGREGATI per conglomerati cementizi descrive le PROCEDURE SPERIMENTALI per la misura di parametri rappresentativi di tali caratteristiche individua LIMITI QUANTITATIVI per questi parametri consentendo la classificazione e l utilizzo di tali materiali Fondamentali per la durabilità del calcestruzzo sono: Individuazione di materiali nocivi (esame petrografico, UNI 8520/4) Contenuto di solfati e cloruri solubili (UNI 8520/11 e 8520/12) Contenuto di sostanze organiche (UNI 8520/14) Equivalente in sabbia e del valore di blu (UNI 8520/15) Resistenza all urto ed all abrasione (Prova Los Angeles, UNI 8520/19) Sensibilità al gelo e disgelo (UNI 8520/20) Potenziale reattività degli aggregati in presenza di alcali (UNI 8520/22 ) 10

11 Corso di Progettazione avanzata di infrastrutture viarie Lez. 04 Aggregati per Calcestruzzo (UNI 8520) Reazione Alcali - Aggregati SILICE REATTIVA amorfa o poco cristallina (opale, calcedonio etc.) acqua ALCALI contenuti nel cemento (sodio e potassio) Reazione espansiva (pop-out) Aggregati per Calcestruzzo (UNI 8520) Fondamentali per lo studio della composizione sono: Analisi granulometrica e determinazione della DIMENSIONE MASSIMA nominale degli aggregati (UNI 8520/5) La conoscenza dell'esatta curva granulometrica di ciascuna pezzatura di aggregati consente la loro combinazione per formare la curva ottimale per il calcestruzzo Massa volumica e dell'assorbimento (UNI 8520/13 UNI 8520/16) ASCIUTTO INSATURO SATURO SUPERFICIE CONDIZIONE DEGLI INERTI ASCIUTTA ALL INTERNO DEL CALCESTRUZZO W = ASSORBIMENTO UMIDO La conoscenza dell assorbimento e dell umidità degli inerti consente di dosare correttamente l'acqua d'impasto nelle miscele. 11

12 Calcestruzzo Strutturale (Linee Guida) Il calcestruzzo va di regola specificato dal progettista come miscela progettata con riferimento alle proprietà richieste: calcestruzzo a prestazione garantita Dati fondamentali: a) Classe di resistenza c) Classe di esposizione ambientale d) Tipo di struttura (semplice, armata o precompressa) e) Classe di consistenza a/c c a b) Massima dimensione nominale degli aggregati Altre caratteristiche: a) Resistenza a trazione per flessione Calcestruzzo Strutturale (Linee Guida) Classe di resistenza Il calcestruzzo è classificato in base alla sua resistenza a compressione (UNI 6132) Campioni cubici (L= 150 mm): R ck Campioni cilindrici (h/d = 2.0): f ck Calcestruzzo ordinario C16/20 - C20/25 - C25/30 - C30/37 C35/45 - C40/50 - C45/55 Classe di consistenza La LAVORABILITÀ, indice delle proprietà e del comportamento del calcestruzzo nell'intervallo di tempo tra la produzione e la posa in opera, viene comunemente valutata attraverso la misura della CONSISTENZA Misura dell abbassamento al cono - SLUMP Test (UNI 9418) Classe di Esposizione 12

13 Calcestruzzo Strutturale (Linee Guida) Ne riparliamo nella.. 2a parte Calcestruzzo - Resistenza a trazione Resistenza a trazione per flessione MODULO DI ROTTURA Determinazione sperimentale prova di flessione su 3 punti (UNI 6133): f cf = 3/2 * PL/a 3 In mancanze di sperimentazione diretta (D.M. 09/01/96) a f cfm = MR= 1.2 * 0.27 * R ck 2/3 f cf = k * R ck 1/2 K = 0.7 per inerti naturali K = 0.8 per inerti frantumati Resistenza a trazione indiretta f ct,i = 5/8 MR (inerti naturali) f ct,i = 2/3 MR (inerti frantumati) 13

14 Lastra in calcestruzzo - Giunti LONGITUDINALI TRASVERSALI di contrazione: guidano la formazione delle fessure dovute al ritiro igrometrico e alla contrazione termica del conglomerato cementizio (è la tipologia di giunto più comune) di dilatazione: permette la dilatazione della lastra senza che si producano danni alla lastra stessa o alle strutture adiacenti di costruzione: tra 2 parti della pavimentazione costruite in periodi differenti Giunti - Compartecipazione tra le lastre E sempre necessario assicurare il TRASFERIMENTO DEGLI SFORZI attraverso il giunto. La COMPARTECIPAZIONE delle lastre avviene attraverso 2 meccanismi: INCASTRO TRA GLI AGGREGATI (ingranamento) Efficienza ottimale per lastre h < 20 cm IMPORTANTI: QUALITÀ, FORMA E DIMENSIONE AGGREGATI APERTURA RIDOTTA (LUNGH. LASTRE RIDOTTA) SUPPORTO DEL SOTTOFONDO ARMATURA (Barre di trasferimento/compartecipazione) BARRE LISCE DI GRANDE DIAMETRO A METÀ ALTEZZA L = mm i = 300 mm BARRE DI LEGATURE AD A.M. NEI GIUNTI LONGITUDINALI L EFFICIENZA DEL GIUNTO È FONDAMENTALE PER LA DURABILITÀ DELLA PAVIMENTAZIONE 14

15 Giunti trasversali di contrazione Controllano il quadro fessurativo della pavimentazione prodotto dalle sollecitazioni di trazione e flessione derivanti da: idratazione della pasta cementizia ambiente (variazioni di temperatura ed umidità) traffico DIMENSIONAMENTO: COSTRUZIONE: MANUTENZIONE: Distanza tra i giunti Tecnica di esecuzione Sigillatura Profondità Tempo di esecuzione Apertura (sigillante) Sigillatura Portland Cement Association: L = 24 s (Fondazione non legata) Giunti trasversali di contrazione DISTANZA TRA I GIUNTI U.S. Corps of Engineers Spessore pavimentazione [cm] Max distanza Tra i giunti [m] < > L/ρ <5 Federal Highway Administration 15

16 Giunti trasversali di contrazione (calcolo del ritiro igrometrico) Deformazione prodotta da variazione igrometrica uniforme: DL/L = S = S 0 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 L = Lunghezza della lastra S = Ritiro igrometrico σ t,max = (1-C)* DL/L S 0 = Ritiro standard f 1 = Fattore tempo di esposizione f 2 = Fattore umidità relativa f 3 = Fattore spessore fittizio f 4 = Fattore presenza di armatura f 5 = Fattore rigidità dell aggregato C = coefficiente di vincolo interfaccia lastra/fondazione: 0.65 per fondazioni legate 0.80 per fondazioni non legate Giunti trasversali di contrazione (calcolo del ritiro igrometrico) S 0 = Ritiro standard CONDIZIONI STANDARD 6 mesi di esposizione all aria U.R. = 50% Spessore fittizio = 5cm Assenza di armatura metallica Inerti di origine calcarea 16

17 Giunti trasversali di contrazione (calcolo del ritiro igrometrico) f 1 = Fattore tempo di esposizione f 2 = Fattore Umidità Relativa Giunti trasversali di contrazione (calcolo del ritiro igrometrico) f 3 = Fattore spessore fittizio f 4 = Fattore armatura metallica 17

18 Giunti trasversali di contrazione (calcolo del ritiro igrometrico) f 5 = Fattore rigidità aggregato Giunti trasversali di contrazione (dimensionamento in presenza di barriera di vapore) 18

19 Sperimentazione (calcolo del ritiro e inbarcamento) Placing Test Slab Finished Slab Field Curing of Slab, Beams and Cylinders 19

20 Relative Humidity 4, 5 & Top(4) Middle(5) Bottom(6) Gradients Humidity ( %) Gradient of Humidity(%/inch) , 5, 6 Watering started /02/03 00:00 07/02/03 00:00 08/01/03 00:00 08/31/03 00:00 09/30/03 00:00 10/30/03 00:00 11/29/03 00:00 Date-Time Measured and Predicted Curlings at Corner and Edge 250 VD1 VD ,2 3, Displacement (mil) VD4 VD5 0 Predicted Average Corner Curling Measured Average Corner Curling Edge Curling Measured by VD2 Predicted Edge Curling -50 6/30/2003 7/15/2003 7/30/2003 8/14/2003 8/29/2003 9/13/2003 9/28/ /13/2003 Date-Time 20

21 Tilling Subgrade Rolling Subgrade Forms for 20-Slab Test Item 21

22 Placing Test Item Slabs in a Checker-Board Pattern Installing Strain Gages at Slab Center Strain Gages Installed at Slab Edge 22

23 Giunti trasversali di contrazione Verifica della distanza tra i giunti calcolo dell apertura del giunto Deformazione prodotta da variazioni termo-igrometriche uniformi: DL/L = C(á t DT + å r ) DL = Variazione di lunghezza della lastra L C = Lunghezza della lastra = coefficiente di vincolo interfaccia lastra/fondazione: 0.65 per fondazioni legate 0.80 per fondazioni non legate å r = coefficiente di ritiro del calcestruzzo σ t,max = (1-C)* DL/L á t = coeff. di dilatazione termica del calcestruzzo [1/ C] DT = variazione termica (temperatura del calcestruzzo al momento del getto - media delle T minime giornaliere) Giunti trasversali di contrazione å = DL/L = C(á t DT + å r ) Tipo di Aggregato Coeff. di dilatazione termica 10-5 [1/ C] Quarzo 1.18 Arenarie calcaree 1.17 Ghiaia 1.08 Granito 0.95 Basalto 0.86 Calcare 0.68 T = 10 C á t = C25/30 => f ck = 25 MPa => f cm = 28.5 MPa => f cti = (f cm ) 0.5 = 2.96 MPa å r = Res. a trazione indiretta Coeff. di ritiro [MPa] [-]

24 Giunti trasversali di contrazione L = L C DL (mm) Si può scegliere il miglior prodotto per la SIGILLATURA DEL GIUNTO 2.04 C = L (m) Giunti trasversali di contrazione s/4 s/4 - s/6 s/6 T I giunti di contrazione sono realizzati con un taglio nella pavimentazione: SI INDEBOLISCE LA SEZIONE PROFONDITÀ DEL TAGLIO LARGHEZZA DEL TAGLIO W > 3mm L Si opera quindi un secondo taglio per alloggiare il materiale di SIGILLATURA DEL GIUNTO: D Coefficiente di forma: D/L Prodotti colati Prodotti pre-formati 24

25 Giunti di dilatazione Data la notevole ampiezza (18-20mm) necessitano sempre di una barra di compartecipazione Materiale deformabile di riempimento Giunti di isolamento N.B. Se troppo frequenti possono compromettere il trasferimento del carico nei giunti di contrazione Permettono il movimento relativo tra pavimentazione e strutture adiacenti (NON SOTTOVALUTARE) Giunti Longitudinali Devono garantire la compartecipazione tra le 2 strisciate longitudinali A differenza dei giunti trasversali non devono trasferire carichi veicolari Vengono normalmente impiegate barre di legatura ad a.m. Possono avere una conformazione maschio-femmina 25

26 Errori di esecuzione dei giunti MANCATA ESECUZIONE GIUNTI DI ISOLAMENTO Errori di esecuzione dei giunti MANCATA ESECUZIONE GIUNTI DI ISOLAMENTO 26

27 Errori di esecuzione dei giunti PROFONDITA DEL TAGLIO INSUFFICIENTE Errori di esecuzione dei giunti PROFONDITA DEL TAGLIO INSUFFICIENTE 27