Introduzione al corso tecnica delle costruzioni

1 Introduzione

1.1 Definizione di "Cemento Armato"

Si definisce comunemente, ed impropriamente, "cemento armato" [in francese "béton armé", in tedesco "eisenbeton"o "stahlbeton", in inglese "reinforced concrete", in spagnolo "hormigón armado"] un materiale formato da conglomerato o calcestruzzo cementizio [miscela di sabbia, ghiaia e cemento impastata con acqua] con una armatura di acciaio, solitamente in barre, opportunamente distribuita ed in grado di sopportare le tensioni di trazione alle quali il conglomerato cementizio oppone piccola resistenza.

1.2 Cenni Storici

Il calcestruzzo fu usato dai Romani già nel III secolo a.C.; essi, sotto il nome di "beţunium" (dal celt. "béton"), indicavano un materiale composto con pietre, ghiaia e sabbia, cementate con un legante (cementum) formato con pozzolana e calce. Il beţunium fu impiegato per costrutire fondazioni, muraglie e, a volte, per riempire i cassettone di cupole formate con meridiani e paralleli di caldatura o mattoni; sono venuti alla luce manufatti di beţunium armato con barre e con grate metalliche, e gli esempi più antichi di opere in conglomerato sono le fondazioni dei templi della Concordia e dei Disocuri. Non si può tuttavia ancora parlare di vero e proprio cemento armato.

In epoca moderna si possono far risalire a Smeaton (1755) ed a Parker (1796) gli studi sulle proprietà leganti di certi calcari mescolati ed opportunamente calcinati; seguirono poi le ricerche di Lesage (1800) e di Vicat (1828).

1 INTRODUZIONE

1.1 DEFINIZIONE DI "CEMENTO ARMATO"

Si definisce comunemente, ed impropriamente, "cemento armato" [in francese "béton armé", in tedesco "eisenbeton" o "stahlbeton", in inglese "reinforced concrete", in spagnolo "hormigón armado"] un materiale formato da conglomerato o calcestruzzo cementizio [miscela di sabbia, ghiaia e cemento impastati con acqua] con una armatura di acciaio, foggiata generalmente in barre, opportunamente distribuita ed in grado di sopportare le tensioni di trazione, alle quali il conglomerato avrebbe piccola resistenza.

1.2 CENNI STORICI

Il calcestruzzo fu usato dai Romani già nel III secolo A.C.; essi, sotto il nome di "betunium" (dal cui béton?), indicavano un materiale composto con pietra, ghiaia e sabbia, cementate con un legante (cementum) formato con pozzolana e calce.

Il betunium fu impiegato per costruire fondazioni, muraglie e, a volte, per riempire i cassettini di cupole romane con meridiani e paralleli di cavature di mattoni; sono venuti alla luce manufatti di betunium armato con barre e con grate metalliche e gli esempi più antichi di opere in conglomerato sono le fondazioni dei tempî della Concordia e dei Dioscuri. Non si può tuttavia ancora parlare di vero e proprio cemento armato.

In epoca moderna si possono far risalire a Smeaton (1755) ed a Parker (1796) gli studi sulle proprietà leganti, di certi calcarei argillosi opportunamente calcinanti; seguirono poi le ricerche di Lesage (1800) e di Vicat (1828).

Il primo tentativo di costruzione in C.A. deve essere riconosciuto al francese Lambot il quale eseguì nel 1850 e presentò nel 1855 all'Esposizione Universale di Parigi, una barca di conglomerato con armatura di ferro.

Lo sviluppo delle costruzioni in C.A. è legato alle ricerche sui leganti, ed al loro utilizzazione industriale. Le prime fabbriche di cemento sorsero a Portland in Inghilterra (1824) ed a Boulogne sur Mer, in Francia (1830), ma lo sviluppo industriale si verificò dopo le scoperte di Isaac Johnson (cottura e clinckerizzazione delle marne) e agli studi di Le Chatelier e Michaelis sulla composizione chimica del cemento.

Sebbene, già nel 1861, Francois Coignet proponesse elementi costruttivi (travi, volte e tubi) in C.A., è generalmente ritenuto che il vero ideatore del nuovo sistema di costruzione sia stato il giardiniere francese Joseph Monier il quale, il 16 luglio 1867, ottenne il primo brevetto per la costruzione di vasi e recipienti in C.A., i cui prototipi furono presentati all'Esposizione Universale di Parigi nello stesso anno. Negli anni successivi, 1868, 1869 il Monier ottenne altri brevetti per la costruzione di tubi, serbatoi, sollev, scale ecc. Il suo brevetto fondamentale, quello nel quale si ritrovano, sia pure espressi in forma empirica, i concetti di base per lo sviluppo delle costruzioni in C.A.! fu ottenuto nel 1870.

Contemporaneamente l'americano Taddeo Hyatt conduceva ricerche sui travi, e la pubblicazione dei risultati.

avvenuta nel 1877, dimostra che egli aveva visto, forse più chiaramente di Monier, i disponendo prevalentemente le armature nelle zone tese, in collaborazione acciaio-calcetruzzo. Egli studiò anche il comportamento del C.A. sotto l’effetto del fuoco. Si, deve poi ricordare W.E. Ward che, nel 1875 nello stato di New York, collocò una casa con solai in C.A.

Nel 1880 i brevetti Monier furono acquistati, in Germania, dalle ditte Freytag-Heidschuch e Mortensen-Iossaux lequali, nel 1886, cedettero i diritti all’Ing. G.A. Wayss; questi, a sua volta, oltre a costruire col nuovo sistema (tra il 1887 ed il 1892) ben 20 ponti con luci fino a 40 m, istituì, assieme al prof. Bauschinger di Monaco e col finanziamento delle ditte nominatte, una ricerca teorico sperimentale i cui risultati, pubblicati nel volume “Das System Monier-Riesenegrippe mit Zementumhüllung” del 1887 risultarono fondamentali per lo sviluppo dei metodi di calcolo perché possero in evidenza la collaborazione acciaio-calcetruzzo. Ciò dovuta dall’aderenza a defininding la corretta forzizione dell’armatura.

Sulla base delle esperienze Wayss-Bauschinger, l’architetto Mattias Koenen istituit un procedimento di calcolo ed espose i criteri di dimensionamento delle armature.

Le ricerche teoriche e sperimentali proseguirono in Europa e negli Stati Uniti d’America. In Francia furono presentati i sistemi Bodienne e Cotillivi (1889) e, successivamente (1892) quegli di Coignet e di Hennefeuqe; in Germania le ricerche furono continuante da Koemen,

3) VANTAGGI DEL CEMENTO ARMATO

I principali vantaggi del C.A. sono essenzialmente:

• Adattamento a qualsiasi forma strutturale;
• Facilità di approvvigionamento dei materiali;
• Economia di acciaio rispetto alle strutture metalliche;
• Assenza di spese per la manutenzione;
• Buona resistenza al fuoco.

Il C.A. presenta tuttavia alcuni inconvenienti; essi

• Possono essere sommariamente così elencati:
• Scarse possibilità di modifica e di adattamento di strutture esistenti;
• Difficoltà di esecuzione dei ferri di rinforzo quando
• questi devono sopportare i carichi agenti;
• Nessun recupero di materiale in caso di demolizione;
• Deformazioni lente (ritiro e fluage).

Considerazioni Intuitive

Un elemento strutturale in calcestruzzo non armato (ad esempio una trave) sottoposto a forze esterne gradualmente crescenti ha, inizialmente, un comportamento assai simile a quello elastico; lo stato di tensione può essere rappresentato dalle linee isostatiche, traiettorie delle direzioni delle tensioni principali, in un corpo quasi isotropo ed omogeneo.

Crescendo le forze esterne, ed essendo la resistenza a trazione del conglomerato assai minore di quella a compressione, il collasso avviene quando, raggiunta la dilatazione di rottura a trazione, le tensioni di compressione hanno valori ancora molto lontani da quelli di rottura.

Nel cemento armato invece le armature metalliche (costituzioni) non anteriori non disdiciamo acciaio-calestruzzo, l'elemento capace di sopportare le tensioni di trazione.

Il comportamento, sotto carico crescente, di un elemento in c.a. è caratterizzato da tre stati diversi:

Stato I

Quando lo stato di sollecitazione ha valori modesti il calcestruzzo sopporta, assieme all'acciaio, le tensioni di trazione e il solido, anche se non omogeneo può, con sufficiente approssimazione, essere ritenuto elastico.

Stato II

(Raggiunto lo stato di sollecitazione) le dilatazioni di trazione nel conglomerato aumentano e, in alcuni punti, raggiungendo il limite di rottura; appaiono le prime lesioni che non impediscono...