Materiali da costruzione. Politecnico di Torino - Ingegneria Tecnica delle Costruzioni Materiali da costruzione

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1 Materiali da costruzione 1

2 CALCESTRUZZO f ck 120 MPa NSC f ck 50 MPa HSC f ck > 50 MPa Classi C12, C20, C30, C40, C50, C60, C70, C80, C90, C100, C110, C110 LC8, LC12, LC16, LC20, LC30, LC40, LC50, LC60, LC70, LC80 Leggero 2

3 Classificazione per peso specifico Calcestruzzo Leggero kg/m 3 Normale kg/m 3 Pesante > 2600 kg/m 3 3

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5 Resistenza a compressione 150x150x150 mm = 150 mm H = 300 mm 5

6 cilindro cubo cilindro cubo Ove richiesto in particolari situazioni 6

7 Resistenza a trazione (prova uniassiale) 7

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9 Per calcestruzzi leggeri stesse espressioni che per CLS normali moltiplicate per il fattore peso specifico in kg/m 3 Se si misura f ctm con una prova di splitting (Brasiliana) o a mezzo di una prova di flessione, usare due fattori di conversione sp e fl 1.0 valor medio della resistenza di splitting determinato secondo ISO valor medio della resistenza a flessione altezza trave 9

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11 Energia di frattura Energia richiesta per propagare una fessura di trazione di area unitaria CLS normali 11

12 Resistenza in presenza di stati di tensione multiassiali Formulazione di Ottosen 12

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15 I 1 J 2, J 3 invariante del tensore delle tensioni deviatori delle tensioni,, c 1, c 2 coefficienti funzione dei parametri del materiale f cm f ctm f c2cm com com resistenza a compressione biassiale resistenza a compressione triassiale nel punto 1 = 2 > 3 15

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17 per e con f cm f ck f lcm f lck in MPa 17

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19 Modulo di elasticità modulo a 28 giorni MPa funzione tipologia aggregati

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21 Oss: il modulo elastico E ci deve essere corretto, se si usa un analisi lineare, per tener conto delle deformazioni plastiche iniziali, di tipo irreversibile Equazione di Sargin Definition od different moduli of elasticity (according to fib Bulletin 42) 21

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23 Coefficiente di Poisson Nel campo c = ,26 in genere si assume c = 0,2 23

24 Relazione tensione-deformazione per carichi di breve termine Compressione modulo alla massima tensione deformazione alla massima tensione 24

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28 Per la fase di scarico su un campione non fessurato Trazione Relazione bilineare per elementi non fessurati 28

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30 Per elementi fessurati Relazione bilineare per la resistenza a trazione in funzione dell apertura della fessura apertura della fessura 30

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32 Comportamento di shear friction nelle fessure In caso di movimento relativo tra le due facce della fessura si sviluppano tensioni resistenti tangenziali e normali per effetto della rugosità 32

33 scorrimento relativo (mm) C f = 1 per aggregati integri dopo la fessurazione C f = 0.35 per aggregati rotti nella fessurazione apertura della fessura (mm) 33

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35 Effetti del tempo Sviluppo della resistenza nel tempo t in giorni coefficiente funzione di resistenza e tipo di cemento 35

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37 Resistenza a compressione sotto carichi permanenti Oss 1 ha effetto positivo ha effetto negativo Oss 2 Il minimo valore si ottiene per circa 28 giorni 37

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39 Resistenza a trazione sotto carichi permanenti = 0.60 per NSC = 0.75 per HSC Sviluppo nel tempo del modulo di elasticità t in giorni 39

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41 Viscosità e ritiro Valutazione empirica del coefficiente di viscosità RH umidità relativa h spessore fittizio sezione perimetro in contatto con l atmosfera basic creep drying creep 41

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44 Effetto del tipo di cemento e della temperatura di curing Modifica dell età t 0 al carico funzione del tipo di cemento -1 per 32.5N 0 per 32.5R, 42.5N 1 per 42.5R, 52.5N, 52.5R età modificata del calcestruzzo al carico con la seguente espressione numero di giorni in cui prevale la temperatura T temperatura in C durante t i 44

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46 Effetto degli alti livelli tensionali La nonlinearità della viscosità può essere valutata modificando 0 in 0,k 46

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48 Ritiro Ritiro autogeno Ritiro di essicamento I coefficienti as, ds1, ds2 sono funzione del tipo di cemento 48

49 Coefficienti as, ds1, ds2 funzione del tipo di cemento 49

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52 Effetti della temperatura Le informazioni precedenti riguardano un intervallo di temperatura 20 C T +40 C In un campo di temperature 0 C T +80 C si può applicare la formula 52

53 Coefficiente di dilatazione termica - tipi di aggregati - umidità del calcestruzzo CLS normali T 10x10 6 C 1 CLS leggeri T 8x10 6 C 1 Resistenza a compressione (0 C T +80 C) f cm e f lcm valutati a 20 C Resistenza a trazione e proprietà di frattura (0 C T +80 C) Prova uniassiale Prova brasiliana f cm, f ct,sp e f ct,fl valutati a 20 C 53

54 Compressione 54

55 Trazione 55

56 Energia di frattura G F Fortemente influenzata dalla temperatura e dalla umidità dei campioni CLS secco CLS umido G F valutata a 20 C Modulo di elasticità (0 C T +80 C) NSC HSC E ci, E lci valutati a 20 C Viscosità (0 C T +80 C) Se la temperatura aumenta mentre l elemento è sotto carico 56

57 Modulo di elasticità 57

58 Viscosità 58

59 Ritiro (0 C T +80 C) Essenzialmente influenzato il ritiro autogeno Se la temperatura differisce da 20 C durante l essicamento L effetto della temperatura sul coefficiente nominale del ritiro si valuta con 59

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61 Temperature criogeniche aumento resitenza a compressione contenuto di umidità (% della massa) La relazione è valida per una singola diminuzione di temperatura nel campo 0 C T -170 C 61

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63 Fatica Compressione semplice dove 63

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65 I calcestruzzi ad elevata resistenza denotano una maggiore sensibilità alla fatica Compressione trazione Trazione pura e trazione compressione 65

66 Significato dei simboli nelle relazioni precedenti 66

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68 Spettro di livelli di carico Palmgren - Miner Danneggiamento Numero di cicli con uguale max e Numero di cicli a rottura con uguale max e D = 1 Rottura (grande variabilità) Deformazioni in presenza di fatica Deformazione a max dopo n cicli 68

69 Impatto Campo di applicazione Compressione Trazione Resistenza a compressione 69

70 Resistenza a trazione Modulo di elasticità Compressione Trazione 70

71 Trasporto di liquidi e gas nel calcestruzzo indurito Liquidi Gas Ioni Permeazione Diffusione Capillarità Modo combinato Permeazione Flusso di liquidi o gas causato da una pressione Permeabilità all acqua Legge di Darcy Area penetrata (m 2 ) Volume d acqua (m 3 ) passante in t Coefficiente di permeabiilità (m/sec) Per CLS aerati Pressione idraulica (m) Spessore (m) 71

72 Permeabilità ai gas Flusso stratificato laminare Differenza di pressione (N/m 2 ) Volume di gas (m 3 ) passante in t Coefficiente di permeabiilità (m/sec) Pressione locale (Ns/m 2 ) Viscosità del gas (Ns/m 2 ) Per aria / ossigeno / azoto 72

73 Diffusione Trasporto di liquidi e gas per effetto di un gradiente costante di concentrazione - 1º Legge di Fick Differenza di concentrazione (g/m 3 ) Quantità di sostanza trasportata (g) Coefficiente di diffusione (m 2 /sec) Diffusione In condizioni transitorie - 2º Legge di Fick (Flusso monodimensionale e D=cost) Se le sostanze che si diffondono diventano immobili (ioni cloro) Quantità di sostanza trasportata che diventa immobile Alternativamente c ree = concentrazione ioni liberi D eff = coefficiente di diffusione effettivo (variabile col tempo di esposizione) 73

74 Diffusione di acqua (Vapore) 1º Legge di Fick Con gradiente umidità relativa pori Volume di acqua trasportata (m 3 ) Coefficiente di diffusione (m 2 /sec) alla umidità relativa dei pori (H) Diffusione di gas (Aria / Ossigeno / Anidride carbonica) Controllata dall umidità del calcestruzzo Per valori intermedi (60% ) Per l ossigeno in CLS non carbonatato 74

75 Per CO 2 attraverso calcestruzzo carbonatato Diffusione di ioni cloro Suzione capillare (Assorbimento) Acqua assorbita per area unitaria al tempo t (m 3 /m 2 ) Acqua assorbita ad un tempo noto t 1 Liquidi (Acqua) 0.5 Coefficiente di assorbimento dell acqua (m/sec 0.5 ) 75

76 Proprietà relative alla durabilità Deterioramento indiretto del CLS per Corrosione armature da carbonatazione Corrosione armature da cloruri Deterioramento diretto del CLS per Cicli di gelo e disgelo (danno interno e delaminazione) Reattività di aggregati o pasta di cemento (danno interno) Azione di acidi (dissolvimento) Processi di dilavamento 76

77 Propagazione della carbonatazione Profondità carbonatazione al tempo t Funzione ambientale Parametro esecuzione Inverso resistenza effettiva a carbonatazione (mm 2 /anni)/(kg/m 3 ) Funzione ambientale 77

78 x t t = c,d SL 5 SL t SL

79 50 Copriferro nominale richiesto [mm] Tempo di esposizione in [anni] Copriferro nominale nom a richiesto con un tempo di esposizione (esposizione per carbonatazione) clima dell Europa centrale, cicli di asciutto e bagnato, esposto a pioggia battente (facciata verticale in calcestruzzo armat), CEM I calcestruzzo, a/c=

80 Ingresso cloruri Contenuto di cloruri alla profondità x ed al tempo t Contenuto iniziale cloruri Contenuto di cloruri a profondità x Coefficiente apparente di diffusione dei cloruri 80

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82 Cicli di gelo e disgelo (con e senza cloruri) Danno Non ci sono modelli validati Composizione CLS incluso porosità e resistenza Condizioni ambientali (RH, T, superficie a contatto con l acqua) Grado di saturazione Reazioni alcali aggragati Reazione tra alcuni aggregati (silice amorfa) ed alcali del cemento Formazione di un gel fortemente espansivo 82

83 Attacco da acidi Profondità di corrosione rispetto alla superficie originaria (d) Contenuto cemento Tipo cemento Costante Additivi Solubilità aggregati Rapporto A/C Concentrazione acidi (mol/l) Per acidi minerali c = 10 -ph Processi di dilavamento Dilavamento cumulativo (mol) Costanti del materiale 83

84 Acciaio da cemento armato Barre Lisce Sagomate Risalti Improntature Proprietà meccaniche (per 40 C T +40 C) Resistenza ultima caratteristica f tk (anche f ck se f ck f tk ) Resistenza caratteristica di snervamento f yk Deformazione alla massima tensione uk 84

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86 Duttilità (f yk 600 MPa) Coefficiente di dilatazione lineare (per 20 C T +180 C) = 10x10-6 C -1 Tipi speciali di acciai Zincati Rivestiti con resina epossidica Inossidabili Curva di progetto (E s = 200 GPa) 86

87 Proprietà per acciai in caso di incendio ( = temperatura) Modulo di elasticità E s, Limite di proporzionalità f sp, Resistenza f sy, 87

88 88

89 Acciaio da precompressione Fili Trefoli Barre 2 fili 3 fili 7 fili 19 fili Lisce Improntate Designazione Tipo di acciaio (filo / trefolo / barra) Resistenza ultima UTS Diametro nominale Classe di rilassamento Classe di fatica Classe di resistenza alla corrosione sotto tensione 89

90 Resistenza a trazione (UTS) f ptk Proprietà meccaniche Resistenza di snervamento convenzionale f p,01,k (0.1% snervamento residuo) Deformazione alla massima tensione puk Diagramma reale Mpa E p MPa 90

91 Comportamento a fatica (in aria) 91

92 Comportamento alle alte temperature 92

93 Rlassamento Perdita di tensione a deformazione costante Prova per 1000 ore a 20 C con tensione iniziale pari al 70% della resistenza ultima 93

94 Un incremento significativo della temperatura di esercizio comporta incrementi del rilassamento 94

95 Curva di progetto 95

96 Proprietà dei materiali Acciaio per carpenteria (acciaio strutturale) 96

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98 Requisiti di duttilità Allungamento a rottura su 5.65 A 0 15% (A 0 = area sezione originaria) Deformazione ultima u 15 y Valori di progetto dei parametri meccanici 98

99 Acciai inossidabili Table

100 Parametri meccanici acciaio inox 100

101 Modellazione del comportamento meccanico (diagramma da impiegare per calcoli f.e.m.) a) curva con strain-hardening b) curva - misurata c) curva vera valutata da prove 101

102 102

103 Resistenza a fatica Ampiezza costante Curve per dettagli tipici Valori di riferimento per ogni dettaglio per la resistenza a 2x10 6 cicli Limiti di fatica Per spettri di fatica con ampiezze superiori ed inferiori a 103

104 104

105 105

106 Per elementi non saldati 106

107 Tenacità Energia a rottura in J per rompere (pendolo di Charpy) un provino con intaglio a V ad una certa temperatura T Energia min: 27 J a T 107

108 Tenacità Limitazione spessore Prospetto con tre livelli tensionali e sette diversi valori di temperatura attesi 108

109 Acciai ad alta resistenza 109

110 Requisiti di duttilità 110

111 111