Calcestruzzo armato - PIANETA INGEGNERE

prof. Adolfo F. L. Baratta
Percorsi Abilitanti Speciali
Classe A016
Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico
Calcestruzzo armato
Roma, 29 marzo 2014
07
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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
calcestruzzo armato, 1848.
02
in
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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 1967.
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) 1901-03.
03
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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.
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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.
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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) 1905.
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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
sottoposta ad un carico concentrato.
calcestruzzo
Comportamento di una trave in calcestruzzo armato
sottoposta ad un carico concentrato.
07
Catalano, A. ; Sansone, C. (a cura di) Concrete 2009. The Building Techniques. I° international congress Technological development of
concrete Tradition, actualities, prospects, Luciano editore, Napoli 2009.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Di Biase, C. Il degrado del calcestruzzo nell’architettura del Novecento, Maggioli editore, Rimini 2009.
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Degrado del calcestruzzo armato
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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.
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Degrado del calcestruzzo armato
Dettaglio della facciata in calcestruzzo faccia a vista
ammalorata.
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Superficie piana non adeguatamente
protetta dagli agenti atmosferici.
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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.
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Copriferro
La copertura minima delle armature, in funzione delle condizioni di esposizione ambientale
dell’opera in calcestruzzo cementizio armato, è regolata dalla UNI-ENV 1992-1-1 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.
01.
02.
03.
04.
05.
Classe di esposizione
Copriferro minimo (mm)
Armatura
Precompresso
Ambiente secco
15
20
Ambiente umido senza gelo
20
30
Ambiente umido con gelo
25
35
Ambiente con gelo e impiego di sali
35
40
Ambiente marino senza gelo
35
40
Ambiente marino con gelo
35
40
Ambiente debolmente aggressivo
25
35
Ambiente moderatamente aggressivo
30
35
Ambiente fortemente aggressivo
40
45
Dimensioni minime del copriferro in funzione delle caratteristiche ambientali.
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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
2.200-2.400 kg/m3
+
Armatura
100 kg/m3
45°
r
5Ø
20 Ø
Zona di giunzione
Giunzione dell’armatura inferiore di una trave.
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Calcestruzzo armato
2.500 kg/m3
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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.
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Armature
Legatura
Staffa Ø 6÷8 mm
Reggistaffe
Ferri sagomati per il taglio
Uncino
Armatura di una trave.
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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.
19
Getto del calcestruzzo.
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Casseforme
Cassaforma per solaio.
Cassaforma per trave in calcestruzzo armato composta da tavole
in legno e sostegno verticale in metallo (puntello o “cristo”).
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Casseforme
Cassaforma per setti di calcestruzzo armato.
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Casseforme
Pilastro in calcestruzzo armato casserato (A) e scasserato (B).
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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.
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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.
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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 20-25 m3 di calcestruzzo ad
una distanza di 150 m e ad un’altezza di 75 m.
Crepe
Vibratore ad immersione
1
2
2
3
1
Sgretolazione
3
Φ
15 cm
2Φ
10 Φ
Collocamento
sistematica.
25
40-50 cm
10 Φ
corretto
e
vibrazione
Collocamento errato e vibrazione non
sistematica.
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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.
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Dettaglio di una superficie in calcestruzzo faccia a
vista.
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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) 2004.
27
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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
(1920-21) 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) 1920-21.
28
Marandola, M. La costruzione in precompresso, ilSole24Ore, Milano 2010.
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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.
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Nunziata, V. Strutture in acciaio precompresso, Dario Flaccovio editore, Palermo 1998.
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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
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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.
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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 780-800 °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.
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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
Spirale
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Componente antagonista al taglio
Componente antagonista al
precompressione
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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.
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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) 1958-62.
35