Strutture di calcestruzzo

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1 Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana Dipartimento ambiente costruzioni e design Strutture di calcestruzzo Cristina Zanini Barzaghi Stefano Mina

2 Prefazione 5 La nuova edizione del libro Strutture in calcestruzzo è frutto della competenza, dell esperienza e della passione per l insegnamento dei miei colleghi ingegneri Cristina Zanini Barzaghi e Stefano Mina. Un libro di testo di grande qualità, che costituisce da un lato uno strumento didattico per favorire il processo di insegnamento e apprendimento durante gli studi, dall altro una guida da consultare nel corso di tutta la carriera. Gli autori propongono agli studenti, alle studentesse, alle professioniste e ai professionisti della costruzione contenuti attualizzati rispetto alle vigenti normative, con sensibile cura della forma e dei contenuti. Testi al contempo ricchi ed essenziali sono infatti accompagnati da fotografie, tabelle, grafici, schemi, immagini, estratti delle norme di riferimento, esempi concreti che ne rendono la lettura particolarmente efficace. Teoria e pratica sono costantemente correlate, nel perfetto spirito della nostra collana Saperi e pratiche e della didattica all interno della Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana. Apprezzo particolarmente l attenzione dedicata a tutte le fasi di progetto e alla costante necessità di considerarle come parti di un unico processo, dalla concezione alla decostruzione, passando attraverso la progettazione, la messa in appalto, l esecuzione con i relativi controlli della qualità, e la gestione. Una visione globale che rende attenti ingegneri civili, architetti e altri attori del mondo della costruzione sulle responsabilità legate alla necessità di assicurare la sicurezza, la funzionalità e l economicità per l intera durata di vita pianificata di una nuova opera, di un intervento di riuso o di risanamento del patrimonio costruito. Ringrazio molto sentitamente gli autori e gli altri colleghi che hanno direttamente collaborato alla realizzazione di questo libro, in particolare l ingegner Manuel Luescher, responsabile del Corso di laurea di Ingegneria civile, l ingegner Raffaele Cattaneo, assistente alla didattica del medesimo Corso di laurea, Giulia Donnarumma e Claudia Tambella, rispettivamente coordinatrice e assistente del Laboratorio cultura visiva. Auspico che questa preziosa fatica editoriale consenta al lettore e alla lettrice di trarre utili insegnamenti per accrescere le proprie competenze e il proprio spirito critico nei confronti del percorso che porta alla realizzazione di un opera in calcestruzzo armato o in calcestruzzo armato precompresso, prefabbricata o gettata in opera, permettendogli così di sfruttare al meglio nella pratica quotidiana le straordinarie potenzialità di questo materiale. Franco Gervasoni Direttore generale della SUPSI

3 Introduzione 7 O studianti, studiate le matematiche, e non edificate sanza fondamenti Leonardo Da Vinci Un decennio dopo la prima pubblicazione, siamo lieti di presentare la nuova edizione (3 stampa) del nostro libro Strutture di calcestruzzo, che raccoglie le dispense elaborate nel corso di diversi anni di insegnamento presso il Corso di laurea in Ingegneria civile del Dipartimento ambiente costruzioni e design (DACD) della Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana. I diversi capitoli, strutturati in cinque parti, raccolgono i temi principali della costruzione in calcestruzzo. Oltre ai temi classici del dimensionamento strutturale, vengono trattati anche temi più pratici come l esecuzione in cantiere e gli aspetti storici, utili sia per gli ingegneri sia per gli architetti. L esposizione degli argomenti è di facile accessibilità con un taglio pratico e con riferimenti alle normative strutturali Swisscodes della SIA introdotte nel 3. La nuova edizione, che si presenta con una nuova veste grafica, è aggiornata alle nuove disposizioni della norma SIA 262 Strutture di calcestruzzo edizione Ringraziamo per il rinnovato sostegno il Direttore generale della SUPSI Franco Gervasoni, il Direttore del DACD Luca Colombo e il responsabile del Corso d Ingegneria civile Manuel Lüscher. Segnaliamo infine il lavoro certosino di rielaborazione e redazione svolto dal collega Raffaele Cattaneo che con grande impegno e dedizione ha contribuito in modo importante alla realizzazione di questa pubblicazione. Cristina Zanini Barzaghi, Stefano Mina Febbraio 2019

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5 Strutture di calcestruzzo A. Concetti di base, esecuzione 1. Introduzione 1.1 Informazioni generali 1.2 Compiti nella progettazione delle strutture in calcestruzzo armato 1.3 Cenni storici 1.4 Sviluppi recenti 2. Tecnologia dei materiali 2.1 Definizione di calcestruzzo armato 2.2 Calcestruzzo Componenti Tipi di calcestruzzo e classificazione secondo la norma SIA Proprietà del calcestruzzo 2.3 Acciaio d armatura Caratteristiche meccaniche Acciaio d armatura Acciaio di precompressione 2.4 Prove sui materiali 3. La statica delle strutture in calcestruzzo armato 3.1 Principi generali 3.2 Verifiche secondo le norme SIA 260, SIA 261 e SIA Verifica della sicurezza strutturale Schema riassuntivo delle basi di calcolo secondo le norme SIA 260 e SIA Verifica dell efficienza funzionale 3.3 Azioni 3.4 Principio di ripresa degli sforzi nelle strutture in c.a. 3.5 Unione fra calcestruzzo e acciaio 3.6 Analisi degli sforzi interni nelle sezioni in calcestruzzo armato Principio di equivalenza (equilibrio) Condizione di congruenza (compatibilità delle deformazioni) Leggi tensione deformazione 3.7 Metodo di calcolo per le sezioni in calcestruzzo armato 3.8 Basi di calcolo degli sforzi interni secondo la teoria elastica 3.9 Basi di calcolo degli sforzi interni secondo la teoria plastica 4. Aspetti esecutivi e dettagli costruttivi 4.1 Elaborazione del progetto 4.2 Esecuzione delle strutture in c.a. in opera Produzione Messa in opera Cura (post-trattamento) Esecuzione di calcestruzzo armato con temperature basse Esecuzione di calcestruzzo armato con temperature elevate 4.3 Tappe di getto, giunti di lavoro e di ritiro Giunti di lavoro Giunti di ritiro 4.4 Dettagli costruttivi per l armatura Tipi di armatura Raggi minimi di piegatura Copriferro Distanze e disposizione delle armature Giunzioni e ancoraggi 4.5 Casseri Definizioni, classificazione e problematiche Tipi di superfici casserate Superfici facciavista 4.6 Struttura della superficie Trattamenti sul calcestruzzo fresco Trattamenti sul calcestruzzo indurito Colorazione della superficie 4.7 Tolleranze di costruzione 4.8 Indicazioni per l allestimento dei capitolati 5. Tipologie strutturali e modelli statici 5.1 Tipologie strutturali Tipi di strutture Strutture lineari Strutture a parete sottile Strutture massicce 5.2 Realtà e modello statico B. Sicurezza strutturale 6. Compressione e trazione pura 6.1 Resistenza di dimensionamento per compressione centrata Calcolo elastico Calcolo plastico Calcolo coefficiente k c 6.2 Resistenza di dimensionamento per trazione centrata Comportamento qualitativo dei due materiali Comportamento reale della resistenza dell elemento teso Rigidezza dell elemento composto 6.3 Confronto con calcolo elastico 7. Flessione pura 7.1 Introduzione 7.2 Stadi di carico 7.3 Sezione attiva e rigidezza 7.4 Calcolo del momento alla rottura Ipotesi impiegate per il calcolo del momento plastico Diagramma tensioni deformazioni del calcestruzzo Diagramma tensioni deformazioni dell acciaio d armatura 7.5 Calcolo plastico del momento alla rottura di sezioni rettangolari con armatura lungo il lembo teso 7.6 Espressioni del collasso 7.7 Momento alla rottura per sezioni qualsiasi Sezione a T e a L Sezione qualsiasi 7.8 Influsso della presenza d armatura lungo il lembo compresso sul calcolo del momento plastico

6 8. Taglio 8.1 Concetto generale 8.2 Meccanismi di collasso Collasso di una trave non armata Collasso di una trave armata 8.3 Modello di calcolo 8.4 Dimensionamento al taglio secondo la norma SIA Verifica della sicurezza strutturale Modello a traliccio secondo norma SIA Resistenza ultima data dall armatura trasversale (collasso tipo A) Resistenza ultima data dall armatura longitudinale (collasso tipo B) Resistenza ultima data dalle bielle compresse (collasso tipo C) Livelli di approssimazione della verifica in funzione della complessità di calcolo, secondo SIA Metodo dell Armatura Equivalente 8.5 Collegamento fra anima e ala di travi a T Trave a T con soletta compressa Trave a T con soletta tesa 8.6 Taglio con staffe inclinate 8.7 Taglio in sezioni con altezza variabile 8.8 Sospensione di carichi 9. Flessione composta e deviata 9.1 Concetto generale 9.2 Resistenza alla flessione composta M + N 9.3 Diagramma d interazione M N 9.4 Verifica della sicurezza strutturale 9.5 Influsso delle deformazioni a lungo termine 9.6 Flessione deviata o obliqua 10. Torsione 10.1 Introduzione 10.2 Calcolo della resistenza a torsione Teoria elastica della torsione Resistenza alla torsione delle sezioni in c.a Sollecitazioni combinate 10.4 Particolari costruttivi 11. Calcolo plastico - plastico 11.1 Introduzione 11.2 Metodi di dimensionamento 11.3 Metodi di calcolo delle sollecitazioni secondo la teoria plastica Metodo passo a passo Metodo statico Metodo cinematico 11.4 Risoluzione per i sistemi statici più frequenti 11.5 Calcolo plastico per solette 12. Campi di tensione 12.1 Cenni storici 12.2 Principi generali Teoria plastica pura Caratteristiche del calcestruzzo Caratteristiche acciaio d armatura Definizioni secondo la norma SIA Procedimento di applicazione Verifica dell ancoraggio dell armatura nei nodi Tipologie di nodo 12.5 Procedimento di calcolo Geometrie e carichi Calcolo armatura longitudinale e verifica SLU Disegno campi di tensione e traliccio delle risultanti Calcolo e verifica staffatura Verifica campi compressi Verifica nodo in corrispondenza dell appoggio Verifica equilibrio ventaglio Piano armatura per la trave analizzata 13. Resistenza al fuoco 13.1 Verifica della resistenza al fuoco C. Efficienza funzionale 14. Calcolo delle tensioni elastiche 14.1 Introduzione 14.2 Calcolo delle tensioni per contenimento della fessurazione 14.3 Calcolo elastico delle tensioni Sezione rettangolare Sezione a T 14.4 Calcolo con l impiego di tabelle o programmi 15. Calcolo delle deformazioni 15.1 Introduzione 15.2 Caratteristiche delle deformazioni del calcestruzzo armato 15.3 Deformazioni istantanee e a lungo termine 15.4 Limiti di deformazione secondo la norma SIA Disposizioni per limitare le deformazioni 15.6 Calcolo delle deformazioni del calcestruzzo armato 15.7 Calcolo delle deformazioni con tabelle e programmi informatici 16. Fessurazione e armatura minima 16.1 Introduzione 16.2 Cause e tipi di fessure 16.3 Effetti della fessurazione 16.4 Limitazione delle fessure secondo la norma SIA Armatura minima Sollecitazione a trazione Sollecitazione a flessione Confronto tra esigenze normali, accresciute e elevate Altri dettagli 16.6 Limitazione delle tensioni elastiche 17. Altri aspetti di efficienza funzionale 17.1 Introduzione

7 17.2 Impermeabilità 17.3 Oscillazioni e vibrazioni 17.4 Impostazione della costruzione Giunti di contrazione (giunti di ritiro) Giunti di dilatazione Appoggi 18. Durabilità e conservazione 18.1 Introduzione 18.2 Durabilità del calcestruzzo 18.3 Danni nelle strutture in calcestruzzo armato 18.4 Meccanismo di corrosione dell armatura Carbonatazione del calcestruzzo Penetrazione di cloruri nel calcestruzzo 18.5 Classi di esposizione secondo norma SIA Misure per garantire la durabilità Misure relative alla tecnologia del calcestruzzo Misure di protezione dell armatura dalla corrosione Disposizioni di dimensionamento Disposizioni costruttive Misure di protezione della superficie 18.7 Indagini su costruzioni esistenti Metodi d indagine Interpretazione delle indagini 18.8 Metodi di ripristino D. Elementi strutturali in calcestruzzo armato 19. Travi e telai 19.1 Principi generali 19.2 Tipi di trave Classificazione secondo il sistema statico Classificazione secondo il tipo di sezione 19.3 Regole di progettazione Snellezza Larghezza della trave 19.4 Dimensionamento e dettagli dell armatura longitudinale Linea dei momenti limite M + E mass. M- min Riduzione del momento flettente su appoggi intermedi Traslazione della linea di trazione limite a causa dell interazione fra flessione e taglio Copertura della linea di trazione limite 19.5 Dimensionamento e dettagli dell armatura trasversale (staffe) 19.6 Dettagli particolari dell armatura Appoggio diretto Appoggio indiretto Nodi di telaio 19.7 Efficienza funzionale 20. Solette: concetti generali 20.1 Principi generali 20.2 Calcolo delle piastre Introduzione Teoria elastica delle piastre Teoria plastica delle piastre 20.3 Deformazioni 20.4 Regole per la progettazione 20.5 Particolari costruttivi Appoggi e bordi liberi Disposizione dell armatura attorno ai risparmi 20.6 Simboli 20.7 Dimensionamento dell armatura Dimensionamento dell armatura per flessione Dimensionamento dell armatura per taglio 20.8 Tipi di solette 21. Solette tese in una o due direzioni 21.1 Delimitazione fra solette tese in una o due direzioni 21.2 Solette tese in una direzione Verifica della resistenza al momento flettente nella direzione portante principale Verifica della resistenza al momento flettente nella direzione portante secondaria Verifica della resistenza al taglio Verifica delle zone laterali di appoggio 21.3 Solette tese in due direzioni Calcolo dei momenti determinanti con il metodo delle strisce Discesa dei carichi 21.4 Disposizioni costruttive Angoli Aperture Carichi lineari Carichi concentrati 22. Solette piane e con capitelli su appoggi puntuali 22.1 Introduzione 22.2 Tipi di solette piane 22.3 Regole di progettazione Snellezza Reticolo dei pilastri Stabilità orizzontale 22.4 Calcolo dei momenti flettenti 22.5 Il punzonamento Introduzione Verifica secondo la norma SIA Calcolo del carico di punzonamento Calcolo dell altezza statica e del perimetro critico Calcolo della resistenza al punzonamento Solette con armatura di punzonamento Particolarità per solette precompresse Prevenzione contro un crollo totale della struttura Condizioni relative al comportamento di deformazione e alla prevenzione contro il crollo totale delle solette piane Diagramma di flusso per la verifica al punzonamento senza staffe secondo SIA Diagramma di flusso per la verifica della capacità di deformazione secondo SIA

8 Diagramma di flusso per la verifica al punzonamento con staffe secondo SIA Colonne e archi 23.1 Tipi di colonne Colonne a sezione circolare Colonne a sezione quadrata o rettangolare Colonne prefabbricate ad alta resistenza Pile di ponti 23.2 Principi generali sugli elementi compressi Funzione degli elementi compressi e tipo di sollecitazioni Comportamento strutturale degli elementi compressi 23.3 Calcolo di elementi compressi secondo la norma SIA Introduzione Basi per il dimensionamento Calcolo di e 0d Calcolo di e 1d Calcolo di e 2d con il metodo della curvatura 23.4 Possibili limitazioni delle verifiche Limitazione della snellezza Limitazione dell eccentricità e 0d + e 1d 23.5 Impiego di diagrammi di dimensionamento 23.6 Regole di progettazione per colonne in c.a Dimensioni minime delle colonne in c.a Armatura longitudinale Staffe 23.7 Archi Cenni storici Concetto di dimensionamento Forma ideale dell arco 24. Fondazioni e muri di sostegno 24.1 Introduzione 24.2 Tipi di fondazione 24.3 Principi generali e indicazioni costruttive 24.4 Dimensionamento delle fondazioni 24.5 Distribuzione delle tensioni sul terreno 24.6 Stabilità del pendio 24.7 Ribaltamento 24.8 Scivolamento 24.9 Definizione dell altezza e verifica al punzonamento Fondazioni singole o plinti Fondazioni continue e banchine Dimensionamento in senso trasversale Dimensionamento in senso longitudinale Platee di fondazione Muri di sostegno Regole di progettazione Verifiche necessarie per il dimensionamento 25. Travi - parete e pareti irrigidenti 25.1 Tipologie 25.2 Travi parete (travi alte) Dimensionamento delle travi parete Schemi con campi di tensione Esempio di verifica di un nodo sull appoggio Disposizione dell armatura nelle travi-parete 25.4 Particolarità esecutive Instabilità Influenza di aperture nella trave parete 25.5 Appoggi indiretti 25.6 Mensole corte 25.7 Pareti irrigidenti Comportamento strutturale Dimensionamento delle pareti irrigidenti 25.8 Disposizioni esecutive E. Precompressione, approfondimenti 26. Precompressione 26.1 Cenni storici 26.2 Principi generali 26.3 Sistemi di precompressione Impiego della precompressione Metodo esecutivo con pre-tensione Metodo esecutivo con post-tensione Altri metodi di presollecitazione 26.4 Principi per il calcolo Precompressione centrica Precompressione con andamento rettilineo eccentrico Precompressione con andamento curvo o poligonale 26.5 Caratteristiche meccaniche dell armatura di precompressione e perdite di carico Tipi di cavi Perdite per attrito Diminuzione della precompressione nel tempo 26.6 Grado di precompressione Precompressione totale Precompressione parziale 26.7 Differenze di approccio per la considerazione della precompressione Approccio autotensioni Approccio forze Confronto Verifica SLU e SLS 26.8 Calcolo statico delle strutture precompresse 26.9 Sicurezza strutturale Momento alla rottura M Rd Verifica al taglio con azione della precompressione Introduzione dello sforzo di precompressione nelle zone d ancoraggio (frettaggio) Efficienza funzionale Limiti di tensione Calcolo delle tensioni in fase elastica non fessurata Calcolo delle tensioni in fase elastica fessurata Calcolo delle deformazioni

9 26.11 Differenze di calcolo fra sistemi isostatici e iperstatici Calcolo della precompressione per sistemi iperstatici Solette precompresse 27. Prefabbricazione 27.1 Principi generali 27.2 Impiego della prefabbricazione Vantaggi Svantaggi 27.3 Tipi di elementi prefabbricati in calcestruzzo Solette portanti in una direzione Solette costituite da travi e tegoli Coperture con capriate e arcarecci Pilastri Elementi di facciata Elementi particolari 27.4 Esecuzione Produzione in fabbrica Trasporto e montaggio sul cantiere 27.5 Dimensionamento delle strutture prefabbricate 27.6 Collegamenti Fondazione - pilastro Appoggi travi, tegoli, capriate Sopragetto di calcestruzzo Giunti fra elementi di facciata Collegamenti rigidi Verifiche per l acciaio d armatura e di precompressione Verifiche alla fatica per il limite di fatica Verifiche della resistenza con carichi di servizio 29.3 Verifiche per il calcestruzzo 29.4 Disposizioni costruttive Allegati Direttive per l allestimento dei calcoli statici Lettere greche Tabelle per dimensionamento colonne secondo norma SIA 262 Tabella ferri Appendice Fonti Biografie Stabilità degli edifici, pareti irrigidenti in calcestruzzo 28.1 Introduzione 28.2 Calcolo dei carichi orizzontali Vento Terremoto Altri carichi orizzontali 28.3 Sistemi di controventamento Controventamento con pareti piene Controventamento con pareti accoppiate Controventamento con telai Controventamento misto 28.4 Modello di calcolo Rigidezza della parti di edificio Collegamenti fra solette e pilastri 28.5 Disposizione delle pareti irrigidenti Disposizione in pianta Disposizione in elevazione 28.6 Distribuzione dei carichi in pianta sulle diverse pareti Sistemi isostatici (tre pareti) Sistemi iperstatici Calcolo della componente per ogni parete 28.7 Dimensionamento delle pareti irrigidenti Tipo di sollecitazione Duttilità Comportamento non duttile della struttura Comportamento duttile della struttura Fatica 29.1 Introduzione