prof. Adolfo F. L. Baratta Percorsi Abilitanti Speciali Classe A016 Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico Calcestruzzo armato

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1 Percorsi Abilitanti Speciali Classe A016 Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico Calcestruzzo armato Roma, 29 marzo

2 Cenni storici Alla fine dell Ottocento si avvia la stagione di quel prodotto che Emil Morsch definirà come materiale in cui ai due componenti vengono affidate solidalmente le funzioni meccaniche più appropriate alla loro natura: il calcestruzzo assorbe sostanzialmente gli sforzi di compressione, l acciaio quelli di trazione e taglio. L entusiasmo per questo materiale è tale che Francis Onderdonk annuncia la nascita di un nuovo stile architettonico lo stile del calcestruzzo armato. In effetti, la prima struttura in calcestruzzo armato è una barca: nel 1848 Joseph Louis Lambot realizza la propria imbarcazione armando, con una rete metallica a maglia fine, un getto di calcestruzzo. Nel 1852 Francois Coignet costruisce il primo edificio con struttura in profilati metallici annegati nel calcestruzzo: il sistema non è ancora quello del calcestruzzo armato ma l intuizione è sicuramente significativa. Lambot, J. L. Piccola imbarcazione realizzata in calcestruzzo armato,

3 Cenni storici L imprenditore francese François Hennebique nel 1892 brevettò a Bruxelles il calcestruzzo armato: in effetti già nel 1867, in occasione dell Esposizione Universale di Parigi, il giardiniere Joseph Monier aveva presentato dei contenitori in calcestruzzo rinforzati con armature metalliche. È però Hennebique che nel 1892 costruisce il primo edificio in calcestruzzo armato, l'immobile di rue Danton a Parigi, che fu la sede della sua azienda dal 1900 al Con lo slogan Plus d'incendies desastreux (Basta incendi disastrosi), tra il 1892 al 1908 egli creò una grande organizzazione commerciale internazionale con numerosi agenti all'estero. A dimostrazione delle elevate proprietà, anche estetiche, del proprio brevetto, il costruttore fece edificare la Maison Hennebique a Bourg la Reine completamente in calcestruzzo armato. Hennebique, F. Maison Hennebique, Bourg la Reine (F)

4 Cenni storici In Italia il sistema Hennebique fu introdotto nel 1894 dallo Studio Tecnico degli ingg. Ferrero e Porcheddu di Torino e venne applicato in grandi opere quali il Ponte del Risorgimento a Roma e la Fiat Lingotto a Torino. Nel 1909, in occasione del cinquantenario dell'unità d'italia, il Comune di Roma indisse una gara per la costruzione di un ponte. L appalto fu assegnato all Impresa dell ing. Porcheddu che, con il rivoluzionario sistema Hennebique, assicurava l esecuzione dell opera in soli 18 mesi. Il Ponte del Risorgimento, con una unica campata di 100 m di luce e una freccia di 10 m, è monitorato fino dal 1936, anno in cui si iniziarono a verificare importanti lesioni. 04 Iori, T. Il cemento armato in Italia dalle origini alla seconda guerra mondiale, Edilstampa, Roma 2001.

5 Anatole de Baudot, Chiesa di Saint Jean de Monmartre, Paris (F) 1904 Anatole de Baudot, discepolo di Viollet le Duc e Henri Labrouste, è il primo a realizzare una chiesa con struttura in calcestruzzo armato ma preferisce nascondere tale soluzione tecnologica con un rivestimento in ceramica. La facciata principale e il dettaglio dell ingresso. 05

6 Auguste Perret I fratelli Perret (Auguste, Claude e Gustave), subentrati nell impresa edile fondata dal padre, sono tra i primi ad impiegare il calcestruzzo armato sfruttandone i vantaggi funzionali ed estetici. Con strutture e superfici sofisticate, Auguste Perret, allievo della Scuola Nazionale di Belle Arti a Parigi, arrivò a dichiarare che il mio calcestruzzo è più bello della pietra [ ]. Il calcestruzzo è una pietra che nasce e la pietra naturale è una pietra che muore. Perret ridefinisce il concetto di ornamento e proietta in facciata il sistema strutturale dell edificio secondo la sua idea di sincerità costruttiva. Gli elementi portanti dell edificio non sono nascosti ma esaltati e al calcestruzzo armato viene attribuita una valenza estetica autonoma: all inizio del Novecento, nella Casa di rue Franklin e nell Autorimessa a rue Ponthieu a Parigi, Perret avvia la sperimentazione sulle potenzialità espressive del calcestruzzo. Perret, A. Autorimessa Mourboeuf a rue Ponthieu, Paris (F)

7 Fondamenti del calcestruzzo armato Il calcestruzzo è un materiale che, a fronte di una buona resistenza a compressione, presenta una bassa e irrilevante resistenza a trazione. Se però nel calcestruzzo vengono annegate delle barre metalliche, situate nella zona in cui si manifestano gli sforzi, allora la risposta dell insieme (calcestruzzo+armatura) è sostanzialmente diversa. Zona di compressione Zona di trazione Comportamento di una trave in calcestruzzo sottoposta ad un carico concentrato. Comportamento di una trave in calcestruzzo armato sottoposta ad un carico concentrato. 07 Catalano, A. ; Sansone, C. (a cura di) Concrete The Building Techniques. I international congress Technological development of concrete Tradition, actualities, prospects, Luciano editore, Napoli 2009.

8 Fondamenti del calcestruzzo armato La collaborazione tra calcestruzzo e acciaio si basa su precisi presupposti. Il primo riguarda la compatibilità meccanica ovvero l aderenza tra acciaio e calcestruzzo: evitare gli scorrimenti reciproci permette di trasferire gli sforzi dal calcestruzzo all acciaio e quindi la perfetta compartecipazione dei due materiali. Perché questo avvenga è necessario che le armature siano ben ancorate e ben distribuite nel calcestruzzo. Inoltre, l aderenza può essere migliorata dall impiego di armature con particolari conformazioni superficiali: le barre in acciaio, infatti, possono essere a terminale uncinato e ad aderenza migliorata. Piegatura in opera dell armatura. Barre uncinate ad aderenza migliorata. 08

9 Fondamenti del calcestruzzo armato Oltre alla compatibilità meccanica la collaborazione calcestruzzo-acciaio è resa possibile anche da aspetti di compatibilità fisica e chimica. La proprietà più importante è sicuramente quella relativa alla dilatazione termica dei due componenti. Nonostante che l acciaio sia un materiale con una conduttività termica molto superiore a quella del calcestruzzo, la dilatazione termica dei due materiali è praticamente la stessa (calcestruzzo 0,00001; acciaio 0,000012): se ciò non fosse, al variare della temperatura insorgerebbero delle tensioni interne che porterebbero a quegli scorrimenti reciproci che contraddirebbero il principio basilare del calcestruzzo armato. Lesione verticale. 09

10 Fondamenti del calcestruzzo armato Un ultima proprietà è quella relativa alla completa protezione dell acciaio dalla corrosione da parte del calcestruzzo. Se il calcestruzzo viene realizzato con un basso rapporto acqua-cemento o se il copriferro non è sufficientemente dimensionato, l armatura metallica può arrugginire e, aumentando di volume, può arrivare a lesionare il calcestruzzo. Posizionamento del distanziatore. Distacco del copriferro con degrado della struttura. 10

11 Degrado del calcestruzzo armato La compattezza e la buona qualità del calcestruzzo, l aderenza tra i due materiali e l adeguato spessore di copertura sono condizioni necessarie (anche se non sempre sufficienti) per garantire nel tempo una buona protezione dell armatura. I principali fenomeni di degrado del calcestruzzo faccia a vista sono ossidazione delle armature, carbonatazione, dilavamento, termoforesi, condensa. Dettaglio di una facciata ammalorata in calcestruzzo con esposizione dei ferri e parziale risanamento. 11 Di Biase, C. Il degrado del calcestruzzo nell architettura del Novecento, Maggioli editore, Rimini 2009.

12 Degrado del calcestruzzo armato L elevata alcalinità del cemento (ph pari a 12) assicura una naturale protezione alle armature metalliche. L anidride carbonica e gli agenti aggressivi provocano il degrado del calcestruzzo con la diminuzione del ph ed aumento della porosità. La carbonatazione del calcestruzzo è un fenomeno lento e non regolare nel tempo. Le armature scoperte si ossidano: la formazione di ruggine causa distacchi e rotture. Il degrado è più veloce in calcestruzzo malfatti, porosi e con copriferro insufficiente. Il ripristino protegge le armature in modo da garantire una buona durabilità. 12

13 Degrado del calcestruzzo armato Dettaglio della facciata in calcestruzzo faccia a vista ammalorata. Superficie piana non adeguatamente protetta dagli agenti atmosferici. 13

14 Recupero del calcestruzzo armato Il metodo più diffuso per il recupero delle parti strutturali in calcestruzzo armato è il patch repair: si tratta di un risanamento locale del danno che prevede la rimozione del calcestruzzo ammalorato, la pulizia e la ripassivazione delle armature, la riparazione della superficie con malte tissotropiche. Viceversa per il recupero del calcestruzzo faccia a vista, si può intervenire con un trattamento di protezione superficiale e con l inserimento di scossaline (metalliche) di protezione delle parti più soggette all aggressione degli agenti atmosferici (quali, ad esempio, le parti aggettanti). Dettaglio delle parti in calcestruzzo faccia a vista una volta effettuato l intervento di riqualificazione. 14

15 Copriferro La copertura minima delle armature, in funzione delle condizioni di esposizione ambientale dell opera in calcestruzzo cementizio armato, è regolata dalla UNI-ENV Eurocodice 2: tale misura è compresa tra i 15,0 mm dell armatura di una struttura in condizioni normali ai 45,0 mm dell armatura precompressa in un ambiente fortemente aggressivo. n. Classe di esposizione Copriferro minimo (mm) Armatura Precompresso 01. Ambiente secco Ambiente umido senza gelo Ambiente umido con gelo Ambiente con gelo e impiego di sali Ambiente marino senza gelo Ambiente marino con gelo Ambiente debolmente aggressivo Ambiente moderatamente aggressivo Ambiente fortemente aggressivo Dimensioni minime del copriferro in funzione delle caratteristiche ambientali. 15

16 Armatura Ogni elemento dell armatura (detto ferro), per svolgere la propria funzione, durante la fase di getto non deve assolutamente cambiare la propria posizione. Perché questo avvenga i ferri devono essere efficacemente collegati fra loro tramite delle staffe, per il collegamento trasversale, e da reggistaffe, per l irrigidimento complessivo della struttura e per integrare la resistenza a compressione del calcestruzzo. A ferri appositamente sagomati vanno inoltre affidate le tensioni prodotte da taglio e torsione. Calcestruzzo kg/m 3 + Armatura 100 kg/m 3 Calcestruzzo armato kg/m 3 45 r 5 Ø 20 Ø Zona di giunzione Giunzione dell armatura inferiore di una trave. 16

17 Armatura L armatura del calcestruzzo armato si può distinguere in tre categorie: 1. armatura principale: quella che assorbe gli sforzi di trazione; 2. armatura secondaria: quella che assorbe gli sforzi di taglio; 3. armatura complementare: quella che non ha un preciso compito statico ma si rende necessaria per il posizionamento delle altre due (reggistaffe, ripartitori, etc.). Armatura secondaria (staffe) Armatura primaria L armatura di una trave. 17

18 Armature Legatura Staffa Ø 6 8 mm Reggistaffe Ferri sagomati per il taglio Uncino Armatura di una trave. 18

19 Posa in opera La realizzazione in opera di strutture in calcestruzzo armato avviene con una serie di operazioni secondo un preciso ordine cronologico ovvero: 1. allestimento delle casseforme. Si tratta di opere provvisionali atte a dare forma e contenere il getto di calcestruzzo. Possono essere reimpiegabili o a perdere: sono costituite da lamiere in acciaio, compensato, cartone, materie plastiche, ma perlopiù sono costituiti da tavole in legno di abete dello spessore di 2,5 cm. Le parti interne delle casseforme vengono di solito coperte da sostanze che facilitano il distacco del calcestruzzo; 2. posizionatura delle armature. Quando è possibile l armatura viene collocata già montata sotto forma di gabbia. In alcuni casi i punti 1 e 2 si possono invertire; 3. getto del calcestruzzo. Durante tale fase si deve prestare particolare attenzione affinché la distribuzione avvenga in modo omogeneo; 4. maturazione. Durante i primi giorni è opportuno mantenere bagnata la superficie; 5. disarmo. Consiste nello smontaggio delle casseforme. Getto del calcestruzzo. 19

20 Casseforme Cassaforma per solaio. Cassaforma per trave in calcestruzzo armato composta da tavole in legno e sostegno verticale in metallo (puntello o cristo ). 20

21 Casseforme Cassaforma per setti di calcestruzzo armato. 21

22 Casseforme Pilastro in calcestruzzo armato casserato (A) e scasserato (B). 22

23 Getto del calcestruzzo Quando si trasporta o si getta il calcestruzzo è necessario prestare attenzione affinché i componenti non si separino: infatti, essendo gli inerti più grossi anche più pesanti gli stessi tendono a spostarsi verso il basso, mentre la sabbia e l acqua a risalire verso la superficie. Per evitare che ciò avvenga è necessario che il calcestruzzo non subisca eccessivi scuotimenti e che non sia lasciato cadere da altezze troppo elevate o che non sia fatto scorrere lungo scivoli troppo larghi e lunghi. 23

24 Getto del calcestruzzo Affinché non restino nel calcestruzzo delle bolle d aria e per assicurarsi che lo stesso calcestruzzo avvolga completamente l armatura metallica, si esegue, subito dopo il getto, una operazione di costipamento, per lo più attraverso apparecchi vibranti ad immersione nel calcestruzzo fresco. La vibrazione ben eseguita provoca la massima compattezza, un buon assestamento della massa, l eliminazione delle bolle d aria e lo scolamento dell acqua superflua, oltre a creare pericolose discontinuità nel materiale. L operazione di vibrazione assicura un maggior costipamento del calcestruzzo. 24

25 Getto del calcestruzzo Il getto del calcestruzzo deve avvenire sempre a tratti orizzontali di spessore variabile a seconda della dimensione massima degli inerti e del mezzo che viene impiegato per il costipamento. Se il calcestruzzo è assestato a mano, lo spessore sarà non maggiore di cm 15, mentre se il costipamento viene effettuato mediante vibratori, lo strato può essere anche di 40/50 cm. Con il pompaggio con mezzi meccanici è possibile gettare in 1 ora fino a m 3 di calcestruzzo ad una distanza di 150 m e ad un altezza di 75 m Vibratore ad immersione Φ 1 2 Crepe 3 Sgretolazione 15 cm cm 2 Φ 10 Φ 10 Φ Collocamento corretto e vibrazione sistematica. Collocamento errato e vibrazione non sistematica. 25

26 Finiture superficiali Per realizzare finiture superficiali con particolari requisiti estetici non ci sono norme particolari da adottare se non quella della qualità del fondo cassero e della manodopera. Il colore e la finitura delle superfici del calcestruzzo a vista sono dovuti non solo al tipo di cemento utilizzato ma anche dalla granulometria degli inerti e dal rapporto acqua/cemento. Per la finitura del calcestruzzo faccia a vista è importante la scelta del tipo di legno da utilizzare per le casseforme e il posizionamento delle tavole che consentono di ottenere differenti texture. Particolare attenzione deve essere posta nel disarmo delle casseforme, che potrebbe causare screpolature sulla superficie a vista della struttura: esistono per tali ragioni dei prodotti chimici che agevolano lo smontaggio. Dettaglio di una superficie in calcestruzzo faccia a vista. 26

27 Calcestruzzi colorati Per ottenere calcestruzzi colorati si usano gli ossidi minerali ridotti in polveri finissime, che mescolate all impasto conferiscono alla massa del calcestruzzo una determinata colorazione. Si possono ottenere superfici di colore: - bianco, con impiego di ossidi di titanio; - verde, con impiego di ossido di cromo; - arancione, con impiego di ossidi di ferro idrato; - rosso, con impiego di ossidi di ferro; - nero, con impiego di ossido di manganese. Occorre precisare che i coloranti aggiunti all impasto riducono sensibilmente la resistenza del calcestruzzo: si ottiene lo stesso effetto quando gli inerti non sono perfettamente puliti. È quindi indispensabile non superare la percentuale del 10% sul peso del cemento impiegato. Herzog e de Meuron, Forum, Barcellona (E)

28 Calcestruzzo armato precompresso Dopo decenni di studi e ricerche, con risultati deludenti a causa della scarsa resistenza dei materiali adottati, nel 1929 Eugène Freyssinet deposita il brevetto del calcestruzzo armato precompresso e nel 1936 avvia un importate produzione di fabbricati caratterizzati dall impiego di strutture in calcestruzzo armato precompresso. Tra le più autorevoli delle realizzazioni vanno ricordati l Hangar dell aeroporto Orly di Parigi ( ) e il Ponte di Luzancy sulla Marna (1946) non lontano da Parigi, costituito da un'unica campata di 55 m di luce e 8 m di larghezza (una carreggiata e due marciapiedi). Nel 1949 viene fondata l Associazione Scientifica della Precompressione: l anno successivo quattro ingegneri (l italiano Rinaldi, l olandese Bruggeling, l inglese Gooding e lo spagnolo Conte) chiedono la formazione ufficiale di una specifica federazione internazionale che sancisce di fatto l affermazione di tale tecnica. Freyssinet, E. Hangar Orly, Paris (F) Marandola, M. La costruzione in precompresso, ilsole24ore, Milano 2010.

29 Calcestruzzo armato precompresso La compressione preventiva cambia radicalmente la funzione dell armatura: quest ultima infatti, essendo posta in trazione, deve trasferire al calcestruzzo una sollecitazione di compressione. L armatura non deve quindi assorbire gli sforzi di trazione durante l uso ma deve conferire al calcestruzzo la capacità di assorbire integralmente le sollecitazioni di flessione. Tali tensioni, provocate quindi indipendentemente dalle azioni esterne, possono essere realizzate soltanto quando i cavi di acciaio ad altissima resistenza (armonico) non sono ancora vincolati al conglomerato cementizio. Trave precompressa appoggiata. 29 Nunziata, V. Strutture in acciaio precompresso, Dario Flaccovio editore, Palermo 1998.

30 Pre-tensione (precompressione a cavi aderenti) La trazione, che avviene con martinetti e ancoraggi, può avvenire prima (pretensione) e dopo (post-tensione) il getto di calcestruzzo. Nel sistema di precompressione a cavi aderenti, una volta disposta la cassaforma, i cavi di precompressione vengono tesi fra due supporti esterni: successivamente viene effettuato il getto di calcestruzzo che avvolge i cavi pretesi. Avvenuta la maturazione del conglomerato 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. Le estremità delle armature tagliate devono essere infine protette contro il pericolo della corrosione mediante un ricoprimento di materiali protettivi o con un getto di calcestruzzo in opera. Messa in tensione dei cavi Getto del calcestruzzo Eliminazione della tensione 30

31 Post-tensione (precompressione a cavi scorrevoli) Nel sistema di precompressione a cavi posttesi, prima del getto del calcestruzzo nelle casseforme si predispongono l'armatura lenta e gli alloggiamenti (guaine) che dovranno accogliere i cavi di precompressione. Una volta maturato il calcestruzzo, che viene costipato per mezzo di vibratori, si infilano i cavi nelle guaine e si effettua la tesatura mediante martinetti idraulici. Infine, si provvede a riempire i fori di alloggiamento dei cavi mediante iniezione con malta sotto pressione. Il profilo 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. Guaina e cavi Posa dei cavi lenti in apposite guaine. Getto del calcestruzzo. Tesatura e ancoraggio. Iniezione di riempimento della guaina. 31

32 Acciaio per calcestruzzi armati precompressi Gli acciai da precompressione, che si comportano diversamente dagli acciai per armatura lenta, sono gli acciai armonici ovvero acciai al silicio ad alto tenore di carbonio (0,80-0,90%), quindi particolarmente duri, temprati in olio C. L elevato tenore di carbonio è giustificato dalla mancata necessità di garantire la proprietà di saldabilità rispetto agli acciai per calcestruzzo armato ordinario. Gli acciai armonici sono caratterizzati da una elevata resistenza meccanica, da una deformazione plastica relativamente bassa ma comunque da una adeguata duttilità all'allungamento. Testa di ancoraggio. 32

33 Armatura L impiego del calcestruzzo armato precompresso è utile in presenza di strutture fortemente sollecitate oppure quando si vogliono ridurre le dimensioni degli stessi elementi. Rispetto ad una struttura in calcestruzzo armato un elemento precompresso può ridurre le quantità di acciaio del 70-80%: i costi complessivi rimangono però superiori perché l acciaio deve essere di qualità superiore e le apparecchiature per la tensione e le iniezione di malta (post-teso) sono particolarmente costose. Inoltre, le maestranze non possono non essere qualificate. Testa di ancoraggio Spessori di appoggio Piastra di ripartizione Tubo di iniezione Componente antagonista al taglio Componente antagonista al precompressione Spirale 33

34 Tipologia di armatura L'armatura per la precompressione può essere fornita sotto forma di: - filo: prodotto trafilato a sezione piena con diametro variabile tra 5 e 8 mm che viene fornito in rotoli lisci (che non possono essere impiegati per strutture ad armatura pre-tesa) o corrugati (per migliorare l'aderenza con il calcestruzzo e favorire l'ancoraggio); - treccia: fornita in rotoli costituite da 2 o 3 fili avvolti ad elica intorno al loro comune asse longitudinale; diametro, passo e senso di avvolgimento dell'elica sono uguali per tutti i fili della treccia; - trefolo: fornito in rotoli, realizzato da gruppi di fili avvolti ad elica in uno o più strati intorno ad un filo rettilineo disposto secondo l'asse longitudinale dell'insieme e completamento ricoperto dagli strati. Il passo e il senso di avvolgimento dell'elica sono uguali per tutti i fili di uno stesso strato; - barra: prodotto laminato a sezione piena che viene fornita in elementi rettilinei. Sono in genere corrugati per favorire l'aderenza. Tipologie di armatura. 34

35 Vantaggi e svantaggi Il calcestruzzo armato precompresso, che raramente si realizza in opera, è caratterizzato da elevati standard qualitativi dovuti al processo realizzativo che solitamente avviene in officina. Gli interventi di manutenzione sono rari e programmati. Il peso di una struttura in calcestruzzo armato precompresso è inferiore a quello di una struttura in calcestruzzo armato. Il trasporto in cantiere di struttura in calcestruzzo armato precompresso, che possono essere lunghe anche più di 30 m e pesare decine di tonnellate, può creare seri problemi logistici. 468 m 110 m 231 m Morandi, R. Ponte Bisantis, Catanzaro (I)