Verifica agli Stati Limite di Esercizio Strutture in Cemento Armato

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1 Verifica agli Stati Limite di Esercizio Strutture in Cemento Armato Gli stati limite di esercizio da considerare in una struttura sono quelli derivanti da : - deformazioni eccessive; - fessurazione prematura o eccessiva; - degrado o corrosione; - spostamenti eccessivi; - vibrazioni eccessive a cui si riconducono le seguenti verifiche, come indicato al par del DM. 14/01/2008: verifiche di deformabilità; verifiche di vibrazione; verifiche di fessurazione; verifiche delle tensioni di esercizio; verifiche a fatica Stato Limite di Fessurazione Come è noto, nelle verifiche delle sezioni in c.a. con il metodo delle tensioni ammissibili, si ipotizza che la resistenza a trazione del cls. sia nulla, ammettendo quindi che le stesse risultino completamente fessurate al di sotto dell asse neutro ed affidando gli sforzi di trazione alle armature. In realtà il cls. ha una piccola resistenza a trazione per cui, nelle sezioni in cui le tensioni di trazione si mantengono inferiori a tale valore, non si ha fessurazione ed il cls. collabora all assorbimento dello sforzo di trazione. Nelle zone in cui invece le sollecitazioni sono tali da avere una tensione di trazione nel cls. superiore al valore della resistenza a trazione dello stesso, si riscontrano sia sezioni fessurate (in cui lo sforzo di trazione resta affidato esclusivamente all acciaio) sia sezioni integre, comprese tra due fessure successive (in cui il cls. riesce a collaborare all assorbimento dello sforzo di trazione). Osserviamo dunque che, se abbiamo una trave in c.a., per eliminare completamente le fessure dovremmo far lavorare il cls. con valori delle tensioni di trazione inferiori alla resistenza a trazione dello stesso, il che comporta valori modestissimi per le tensioni cui è soggetto l acciaio; avremmo cioè una trave fortemente antieconomica. La presenza di azioni più o meno capillari deve essere pertanto considerata come ovvia conseguenza delle condizioni di lavoro dei due materiali (cls. e acciaio) che coesistono nella struttura, e non deve automaticamente dar luogo a valutazioni negative circa la qualità dei getti o l esecuzione delle opere. Ovviamente, quadri fessurativi eccessivi e diffusi sono certamente da evitare in quanto possono risultare incompatibili con le esigenze funzionali, estetiche e di durabilità della struttura. Come indicato nella normativa al par , per assicurare la funzionalità e la durata della struttura è necessario:

2 realizzare un sufficiente ricoprimento delle armature con calcestruzzo di buona qualità e compattezza, bassa porosità e bassa permeabilità; non superare uno stato limite di fessurazione adeguato alle condizioni ambientali, alle sollecitazioni ed alla sensibilità delle armature alla corrosione; tener conto delle esigenze estetiche Stato Limite di Apertura delle Fessure (art ) Come definito all art del D.M. 14/01/2008, gli stati limite di esercizio relativi alla fessurazione sono tre: a) stato limite di decompressione; b) stato limite di formazione delle fessure; c) stato limite di apertura delle fessure. Come definito nella Tabella 4.1.IV della suddetta normativa, vari sono i fattori che influenzano la scelta dello stato limite da considerare: Condizioni ambientali, Combinazione di Azioni, Tipo di armatura: Tabella 4.1.IV Criteri di scelta dello stato limite di fessurazione La verifica relativa allo stato limite di apertura delle fessure, viene eseguita per la combinazione di azioni prescelta, controllando che il valore di calcolo di apertura delle fessure (wd) non sia superare al valore limite di apertura della fessura calcolato al livello considerato è pari ad uno dei seguenti valori nominali: w1 = 0,2 mm w2 = 0,3 mm w3 = 0,4 mm Il valore di calcolo è dato da: wd = 1,7 wm dove wm, rappresenta l ampiezza media delle fessure. L ampiezza media delle fessure wm è calcolata come prodotto della deformazione media delle barre d armatura εsm per la distanza media tra le fessure sm: wm = εsm sm Come indicato al punto C della Circolare 20 febbraio 2009 n.617 C.S.LL.PP., Istruzioni per l applicazione delle «Nuove norme tecniche per le costruzioni» di cui al decreto ministeriale 14 gennaio la deformazione media delle barre e la distanza media tra le fessure possono essere valutate utilizzando la procedura indicata del D.M. 9 gennaio 1996.

3 Detta Ac.eff l'area di calcestruzzo entro la quale la barra di acciaio può effettivamente influenzare l'apertura della fessura. Si può ritenere, per una singola barra, che l'area efficace abbia forma circolare con diametro pari a 14 volte il diametro della barra. Applicando tale concetto ai casi usuali di sezioni inflesse e tese si può porre Ac.eff = beff deff in cui i valori da attribuire a beff ed a deff sono indicati nella figura 4. Fig. 4 - Area efficace I valore wk calcolato si riferisce all'apertura della fessura misurata sulla superficie del calcestruzzo all'interno dell'area di efficacia dell'armatura; al di fuori di tale area le fessure possono allargarsi, e la loro ammissibilità dipende dalle esigenze estetiche. Se tali più ampie fessure non sono ammissibili, occorre predisporre ulteriori armature. In assenza di dati più precisi i parametri sm e εsm che definiscono wm e wk possono valutarsi come segue, nell'ipotesi che le armature siano distribuite uniformemente sull'area efficace della sezione trasversale. a) La distanza media fra le fessure per la condizione di fessurazione stabilizzata in corrispondenza del livello baricentrico dell'armatura all'interno dell'area efficace è data da: in cui: c = s = Φ = k2 = s sm = c + k 2k3 ricoprimento dell'armatura distanza fra le barre; se s. 14 f si adotterà s = 14 f diametro della barra coefficiente che caratterizza l'aderenza del calcestruzzo alla barra e al quale si assegnano i seguenti valori: 0,4 per barre ad aderenza migliorata 0,8 per barre lisce Φ ρ r

4 k3 = coefficiente che tiene conto della forma del diagramma delle tensioni prima della fessurazione in base al seguente prospetto: 0,125 nel caso di diagramma triangolare di flessione o pressoflessione 0,250 nel caso di trazione pura 0,25(σ1+ σ2)/2 σ1 nel caso di trazione eccentrica o nel caso in cui si consideri una sola parte della sezione σ1,σ2 = trazione nel calcestruzzo teso ρ = r As = A s Ac, eff area della sezione di acciaio posta nell'area Ac eff. b) La deformazione unitaria media dell'armatura εsm può valutarsi secondo la seguente espressione che tiene conto della collaborazione del calcestruzzo teso che la circonda: in cui: σs = σsr = β1 = β2 = tensione dell'acciaio calcolata nella sezione fessurata per la combinazione di azioni considerata tensione nell'acciaio calcolata nella sezione fessurata per la sollecitazione corrispondente al raggiungimento della resistenza a trazione fctm nella fibra di calcestruzzo più sollecitata in sezione interamente reagente, compresa nell'area efficace; coefficiente rappresentativo dell'aderenza acciaio calcestruzzo che assume i valori: 1,0 nel caso di barre ad aderenza migliorata 0,5 nel caso di barre lisce coefficiente che tiene conto delle condizioni di sollecitazione: 1,0 nel caso della prima applicazione di una azione di breve durata; 0,5 nel caso di azioni di lunga durata o nel caso di azioni ripetute. Le relazioni precedenti Srm e εsm possono essere usate per calcolare l'ampiezza delle fessure anche prima della stabilizzazione della fessurazione.

5 Esempio Geometria Sezione B 1000 mm H 200 mm c 30 mm h 170 mm As 769,69 mm2 5 f 14 Armatura Tesa A's 769,6902 mm2 5 f 14 Armatura compressa s 196 mm distanza fra le barre Ec Es Ect 31447,16 N/mm N/mm ,3 N/mm2 fcd 11,76 N/mm2 resistenza a compressione cls fctd 1,06 N/mm2 resistenza a trazione cls fctm 2,27 N/mm2 resistenza a trazione assiale cls n 6, Es/Ec n' 11,12978 Es/Ect nct 0,6 n/n' M 19,12 knm Momento Flettente agente Stadio I - Sezione di incipiente fessurazione Posizione Asse neutro lembo superiore xpf = 88, mm Momento Statico Sez. Reag. Rispetto asse n. Sn = 0 Momento Inerzia Sez. Reag. Risetto asse n. Jn = ,7 Tensione CLS - σc = 3,01 N/mm2 M*xpf/Jn Tensione armatura tesa σs = 18,68 N/mm2 nc*sc*(h-xpf)/xpf Stadio 2 - Sezione Fessurata (sollecitazioni effettive) Posizione Asse neutro lembo superiore xn = 48, mm Momento Statico Sez. Reag. Rispetto asse n. Sn = 0 Momento Inerzia Sez. Reag. Risetto asse n. Jn = ,6 Tensione CLS - σc = 4,38 N/mm2 M*xpf/Jn Tensione acciaio - corrispondente fctm σsr = 163,80 N/mm2 n*sc*(h-xn)/xn Verifica Ampiezza Fessura Valore limite Wi = 0,4 mm Coefficiente aderenza cls k2 = 0,4 Coefficiente diagramma tensioni k3 = 0,125 Coefficiente Aderenza acciaio b1 = 1 Coefficiente azioni b2 = 0,5 Altezza efficace hc,ef = 60,659 Area efficace Ac,ef = 60659,00 mm2 Rapporto geometrico Area Efficace ρr = 0,01269 Diametro equivalente Barre acciaio F = 14 Distanza media fessure sm = 154,367 mm Deformazione unitaria εsm = 0, Ampiezza Fessura Wd = 0,203 mm VERIFICA