Lezioni, Materiali e sistemi costruttivi

Calcestruzzo e cemento armato

Il cemento è un legante idraulico prodotto dalla cottura di calcare e sostanze argillose, fino alla clinkerizzazione con l'aggiunta di sostanze per regolarne l'idratazione. Abbiamo vari tipi di cemento:

• Portland: macinazione di clinker + gesso o anidride
• Pozzolano: aggiunta di Pozzolana
• D'alto forno: aggiunta di Loppa Basica d'alto forno
• Alluminoso: aggiunta di alluminati idraulici di calcio

Il calcestruzzo è un conglomerato di legante (cemento), inerti (ghiaia, sabbia ecc) e acqua. La sua classificazione si ha in base alla resistenza caratteristica di rottura sottoposto a compressione che varia da 250 (base) ai 400 kg/cm² (alta resistenza).

Cemento armato

Il Cemento Armato è una tecnologia che abbina il calcestruzzo all'acciaio. Questo materiale oltre alla compressione resiste anche alla trazione.

Fasi di produzione

1. Estrazione della materia prima: estrazione della "Marna" (argilla + carbonato di calcio). La percentuale di calcio deve essere tra il 33% e il 65%
2. Frantumazione del materiale: è la prima fase di lavorazione; riduce il materiale in pezzature
3. Deposito della materia prima: Marna
4. Macinazione: grazie a dei mulini con i rulli il materiale viene ridotto a una farina fine
5. Cottura: è la fase più importante. La cottura avviene a temperature elevate intorno ai 1400°-1500°, permettendo trasformazioni chimiche e trasformando la marna (la farina) in clinker, elemento che ha caratteristiche di resistenza
6. Raffreddamento del clinker: fissa la composizione e migliora la reattività del cemento

Il cemento armato, malte cementizie viene utilizzato per murature, intonaci ecc. Il calcestruzzo viene utilizzato per la realizzazione del cemento armato e il cemento armato precompresso utilizzati per strutture portanti (travi, pilastri, volte ecc) e di tamponamento (pannelli). Il calcestruzzo non armato viene utilizzato per la costruzione di blocchi (con Asole che alleggeriscono il materiale e garantiscono l'isolamento termico); le dimensioni minime di un blocco sono di 25x20x50, con queste dimensioni vengono utilizzati 40 blocchi per mq quindi si ammortizzano i costi perché si dimezza la manodopera e la malta utilizzata.

• Calcestruzzo pesante (vuoto all'interno degli inerti)
• Calcestruzzo poroso e calcestruzzo cellulare (vuoti all'interno della massa)

Il calcestruzzo armato si possono creare strutture prefabbricate (di tamponamento, di fondazione di elevazione) e strutture semi-prefabbricate (di fondazione, di elevazione).

Struttura prefabbricata

Realizzata in un luogo diverso da quello del cantiere, realizzata quindi fuori opera. Vengono assemblate con una tecnologia a secco (cantiere prefabbricato = cantiere a secco).

Struttura semiprefabbricata

Strutture prefabbricate che vengono messe in opera e poi completate con un'armatura integra e una gettata di completamento (cantiere semiprefabbricato = cantiere umido).

Struttura gettata in opera

Le strutture vengono realizzate direttamente nel cantiere (in opera).

Strutture prefabbricate

Vantaggi: migliore organizzazione del cantiere, costi contenuti, controllo della qualità dei manufatti e velocità di esecuzione dell'opera.

Svantaggi: scarsa flessibilità di progetto (criteri standard), scarsa qualità estetico-formale, e criticità dei punti di giunto.

Strutture semi-prefabbricate

Vantaggi: facilità della messa in opera e velocità, controllo dei costi finali, e sicurezza.

Svantaggi: esecuzione di getti di completamento, e criticità dei collegamenti.

Cantiere umido

Fasi costruttive

1. Realizzazione della forma
2. Disposizione dell'armatura nella cassaforma
3. Getto e costipamento per far penetrare completamente il conglomerato nella cassaforma
4. Fase di maturazione del getto (28 giorni). In questa fase la superficie del getto deve essere mantenuta umida per almeno 3 giorni per evitare il ritiro del conglomerato. Nel caso di basse temperature proteggere il calcestruzzo con teli e vapore. Proteggere le superfici dall'irraggiamento solare.
5. Disarmo, può essere anticipato se il pilastro non è sottoposto a pressione, in generale non deve avvenire prima di: travi e pilastri 3 giorni, casseri di strutture a sbalzo 28 giorni.

Tipi di casseri

• Casseri reimpiegabili: possono essere riutilizzati
• Casseri a perdere: possono entrare a far parte della muratura e rimangono integrati nel getto (i gloo)

Struttura di una trave in cemento armato

Il raggio di curvatura che è in A è minore rispetto a quello che c’è in B. Esaminando la trave sotto pressione c’è una deformazione data dalle forze di compressione. Sotto l’azione delle forze la trave viene divisa in due: nella parte inferiore le fibre vengono trazionate (zona tesa), mentre nella zona superiore, rispetto all’asse neutro, viene compressa (zona compressa). L’acciaio deve lavorare nella zona tesa e il calcestruzzo contribuisce nella zona compressa. Quindi l’armatura svolge il suo ruolo nella parte inferiore della trave.

Se la trave fosse lesionata nella zona tesa, bisognerebbe accertarsi che le lesioni non arrivino all’asse neutro, ma non si è in pericolo statico perché c’è l’acciaio. Quindi il cls va fuori calcolo se la trave fosse lesionata nella zona compressa è pericoloso perché lavorerebbe solo il cls, che collasserebbe di botto. È un materiale molto degradabile rispetto a un edificio in muratura; infatti c’è il fenomeno di carbonatazione, che aggredisce il cls attraverso gli agenti atmosferici a una velocità di 0,56 mm anni, in 10 anni 6 mm. Il fenomeno infatti lasciato senza manutenzione degrada la costruzione in 50 anni, 3 cm. Il cemento armato entra in crisi statica è causa: microfessurazioni, distacco dei copri ferri e crepe.

Acciaio

L'acciaio comporta dei vantaggi nei sistemi costruttivi in diversi modi:

Vantaggi a livello di progetto

• Grandi luci
• Sezioni ridotte dei pilastri
• Grandi altezze di costruzione (con l'acciaio le strutture sono più alte e il procedimento è più semplice)
• Elevate capacità portanti
• Elevate capacità di integrazione impiantistica (non essendo piena la trave possono essere integrati gli elementi impiantistici)

Vantaggi durante la costruzione

• Periodo di costruzione ridotto
• Montaggio indipendente dalle condizioni atmosferiche
• Ingombro ridotto del cantiere
• Procedimento di costruzione a secco

Vantaggi in esercizio

• Grande flessibilità d'uso (facilità di cambiamento e modifica della struttura secondo le diverse esigenze)
• Durata prolungata della vita dell'edificio
• Possibilità di smontaggio

Elementi strutturali

Esistono due tipi di elementi strutturali:

• Elementi verticali (pilastri) possono avere diverse forme e sono compatibili alle diverse capacità portanti richieste da diversi progetti.
• Elementi orizzontali
  • Travi: la trave ad anima piena è la trave più utilizzata negli edifici a più piani, infatti viene utilizzata per grandi luci e carichi importanti. (tipi: Ipe, Heb, Upn)
  • Travi rettangolari, travi giunte ai vertici (nodi) su cui si concentrano le forze.

Caratteristiche di giunzione

La giunzione delle travi deve essere fatta tramite due tipologie:

• Bullonatura: necessita di un calcolo della distanza tra vari bulloni e i fori. Inoltre deve essere progettata anche la grandezza dei fori.
• Saldatura: a differenza della bullonatura non necessita di una progettazione a priori. Necessita però di un rigoroso rispetto ad alcune norme che ne regolano la corretta messa in opera (la norma è UNI EN 12062). Tutto il personale adibito a compiere queste prove deve essere altamente qualificato secondo la norma UNI EN 473. Deve essere inoltre supervisionato da un coordinatore del processo di saldatura.

Sistemi tubolari

Sono dei sistemi che permettono di creare opere notevoli con grandi luci, attraverso sistemi formati da nodi (saldature di tubi che si incontrano) e aste (barre dello stesso diametro, con uno spessore variabile).

Sistemi di travi

Un sistema di travi viene utilizzato per la costruzione di solai. Esistono sistemi di travi per solai composti da un solo sistema di travi. È formato da un'ossatura principale formata da travi poste tutte nella stessa direzione, e dei pilastri esterni. Questo è un sistema che viene utilizzato per edifici in cui la destinazione non presenta un cambiamento della disposizione dei piani. Conviene nel caso di edifici allungati e con larghezza limitata.

Un secondo tipo di solai che può esser creato attraverso un sistema di travi è il solaio a due sistemi di travi: questo sistema viene creato attraverso due sistemi di travi che si incrociano perpendicolarmente ossia i travetti (sistemi di travi di 1° ordine) e sottotravi (sistema di travi di 2° ordine). Possono essere utilizzate travi ad anima piena, traforate reticolari che possono essere sovrapposte incastrate.

Un altro tipo di sistema di travi è il solaio a tre sistemi di travi. Viene utilizzato per una struttura che necessita di grandi luci, e supporta carichi molto elevati. Esistono anche i solai a trave combinate, in cui posso integrare il solaio alla struttura utilizzando la combinazione di diverse travi.

Edifici sospesi

Negli edifici a solai sospesi tutti i carichi vengono supportati da un nucleo centrale che può essere fatto di calcestruzzo o in una maglia metallica, quindi su questo nucleo si poggiano le travi del solaio sospeso all'esterno. I solai a sbalzo sono ancorati al nucleo attraverso dei cavi, liberando lo spazio agli elementi strutturali verticali (pilastri).

Edifici a portale