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Il calcestruzzo armato precompresso (nel linguaggio comune chiamato anche cemento armato precompresso, abbreviato con l'acronimo c.a.p.) è una tecnica di realizzazione di componenti strutturali (precompressione) utilizzata in edilizia per sopperire alla scarsa resistenza a trazione del calcestruzzo.
Indice |
Finalità
Nella teoria classica del cemento armato, il conglomerato è considerato non reagente agli sforzi di trazione.
Pertanto in una struttura inflessa o pressoinflessa (in fase fessurata), è considerata come sezione resistente quella parzializzata cioè quella costituita dal solo calcestruzzo compresso e dalle armature tese e compresse.
In questo modo si fa affidamento solo ad una parte della sezione effettiva.
Al fine di permettere l'utilizzo totale della sezione effettiva, si è previsto di applicare alla membratura in calcestruzzo armato uno stato di presollecitazione, creando artificialmente degli sforzi di compressione o di pressoflessione, capaci di provocare nella struttura uno stato di tensione permanente.
Tale stato di tensione, che si va a sovrapporre a quello dovuto ai carichi di esercizio, deve essere tale da garantire un regime tensionale finale compatibile con le caratteristiche meccaniche del calcestruzzo.
Se ad esempio si considera una trave inflessa semplicemente appoggiata, le sollecitazioni di flessione che si generano per effetto dei carichi esterni provocano un diagramma di tensioni normali a farfalla (flessione semplice), e pertanto le fibre inferiori risultano tese.
Poiché generalmente gli sforzi di trazione sono superiori alla relativa resistenza del conglomerato, in zona tesa insorgono fenomeni fessurativi.
Se invece si sottopone la trave ad un preventivo sforzo di compressione o pressoflessione, il diagramma finale delle tensioni normali presenterà, in corrispondenza del lembo inferiore, sforzi di trazione compatibili con il conglomerato o addirittura delle tensioni di compressione (sezione completamente compressa).
In ambo i casi la sezione reagente di calcestruzzo coincide con la sezione trasversale effettiva della trave.
Cenni storici
I primi tentativi di realizzare opere in calcestruzzo armato precompresso risalgono al 1888 ad opera di Doering. I risultati furono però deludenti a causa della scarsa resistenza dei materiali adottati. Nel 1907 fu Koenen a riproporre la soluzione per ridurre le sollecitazioni nel calcestruzzo e migliorarne la durabilità. Usando però acciai con una resistenza molto bassa e un tasso di lavoro intorno ai 100 MPa la precompressione veniva precocemente annullata dai fenomeni di ritiro e scorrimento viscoso del calcestruzzo. I primi risultati soddisfacenti furono ottenuti applicando la presollecitazione nella produzione di tubi in calcestruzzo ad opera della ditta italiana Vianini, nel 1925. L'intento comune era solamente quello di applicare una precompressione per evitare o ridurre la fessurazione del calcestruzzo, ignorando altri aspetti statici benefici del procedimento. Le prime applicazioni concrete si ebbero a partire dal 1928 ad opera di Freyssinet, che, avendo a disposizione materiali di qualità superiore, riuscì a sfruttare le migliorie in campo statico della pratica.
Modalità costruttive
I sistemi di precompressione con armature, previsti dalla normativa vigente, possono essere a cavi aderenti (sistemi pre-tesi) o a cavi scorrevoli alle estremità (sistemi post-tesi)
Sistemi pre-tesi o a cavi aderenti
Nel sistema di precompressione a cavi aderenti, una volta disposta la cassaforma e l'eventuale armatura lenta, prima che venga eseguito il getto di calcestruzzo, i cavi di precompressione vengono tesi fra due supporti fissi ed 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.
Il sistema a cavi aderenti trova generalmente applicazione nel campo della prefabbricazione di componenti strutturali quali travi per impalcati di luce modeste, travetti per solai in laterocemento, ecc.
Sistemi post-tesi o a cavi scorrevoli
Nel sistema di precompressione a cavi post-tesi, prima del getto del calcestruzzo nelle casseforme si predispongono l'armatura lenta e gli alloggiamenti (guaine) che dovranno accogliere i cavi di precompressione.
Avvenuta la maturazione del calcestruzzo si infilano i cavi nelle guaine e si effettua la tesatura, mediante martinetti idraulici, prendendo contrasto in corrispondenza delle testate della trave.
In questo modo lo stato di precompressione si stabilisce all'atto stesso dell'operazione di messa in tensione dei cavi.
Infine si provvede a riempire i fori di alloggiamento dei cavi con malta sotto pressione, al fine di realizzare l'aderenza tra le armature di precompressione e la trave e proteggerle dalla corrosione indotta dagli agenti atmosferici.
La solidarietà tra cavi e calcestruzzo non modifica lo stato di coazione poiché gli sforzi mutui sono localizzati in corrispondenza delle testate delle travi.
Questo sistema di precompressione viene utilizzato principalmente per la realizzazione di travi di grande luce quali ad esempio gli impalcati da ponte.
Acciai armonici
Gli acciai da c.a.p. sono caratterizzati da una elevata resistenza meccanica e da una deformazione plastica relativamente bassa all'atto della rottura. L'elevata resistenza è dovuta alla composizione chimica.
In genere la resistenza decresce all'aumentare del diametro dell'armatura: con i fili aventi diametro minore di 2 mm si ottengono resistenze anche maggiori di 20.000 daN/cm2, mentre con le barre da 26 mm difficilmente si riescono ad ottenere resistenze superiori a 10.000 daN/cm2.
Nel sistema di precompressione a cavi aderenti, per migliorare l'aderenza tra acciaio e calcestruzzo, si usano trecce di fili di piccolo diametro, mentre nel sistema di precompressione a cavi scorrevoli sono molto diffusi i cavi costituiti da fili di 5 - 7 mm e le barre da 26 mm.
Il diagramma σ - ε (tensione - deformazione) di un acciaio armonico presenta un andamento continuo fino a rottura e quindi si differenzia da quello di un acciaio per c.a.o. in quanto non si riesce ad individuare una tensione di snervamento. Pertanto si considera come tensione di snervamento quella a cui corrisponde una deformazione plastica dello 0,2% e tale tensione si indica con fp(0,2).
Utilizzi
L'utilizzo principe delle travi in c.a.p. è per i viadotti stradali e ferroviari e per gli acquedotti. Tutti i viadotti dell'A24 - strada dei parchi, per esempio, sono realizzati in c.a.p. Vi sono esempi di coperture in elementi prefabbricati che uniscono la funzione di trave a quella di copertura, soprattutto per locali che hanno bisogno di grandi luci prive di pilastri (hangar aeroportuali, capannoni di acciaierie o industrie pesanti in genere, capannoni di industrie navali, palestre e piscine olimpiche ecc.). In generale, maggiore è la luce da coprire e più il c.a.p. diventa economicamente conveniente rispetto al calcestruzzo armato tradizionale (che comunque ha dei seri limiti nelle luci superiori ai 9-10 metri). Un utilizzo ormai generale è anche per la costruzione di traversine ferroviarie.
Vantaggi e svantaggi
Vantaggi
Il calcestruzzo armato precompresso si realizza raramente in opera e quasi esclusivamente in officina. Questo permette di controllare in modo attento la composizione del calcestruzzo, la sua omogeneità e la sua qualità, in modo da ottenere manufatti veramente perfetti, per gli standard qualitativi attualmente richiesti dall'edilizia; permette altresì di ovviare ai problemi relativi alle analisi chimiche di legge sul getto e sull'acciaio, e vi è un unico responsabile (la ditta produttrice) di eventuali difetti o mancanze della trave stessa. Le strutture in calcestruzzo armato precompresso hanno degli intervalli di manutenzione molto distanziati (grazie sempre ai maggiori e migliori controlli che possono essere realizzati in officina), il che riduce i costi di manutenzione dei complessi edilizi. Una trave in calcestruzzo armato precompresso è più leggera di una trave in cemento armato o in acciaio (non trave reticolare) che deve reggere lo stesso peso. Rispetto alle travi reticolari in acciaio, ha una molto migliore resistenza al fuoco, agli urti, agli eventi straordinari (attentati in particolare) e agli agenti atmosferici, ed ha una minore flessibilità (che questo sia un vantaggio o uno svantaggio dipende dal progetto).
Svantaggi
La trave in calcestruzzo armato precompresso ha bisogno di essere trasportata in opera: questo può creare dei seri problemi di logistica del cantiere, perché le travi possono essere lunghe anche 30 m e larghe 4-5 m e pesare diverse decine di tonnellate. Significa che un singolo camion può trasportare una o al massimo due travi per volta: questo aumenta notevolmente i costi di cantiere, anche perché spesso le travi devono fare tragitti di centinaia di chilometri.
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Si è molto spesso vincolati ad utilizzare schemi statici di travi in appoggio semplice o comunque isostatici, perché la trave deve sostenere sollecitazioni semplici (e non composte anche da momenti, come avverrebbe in una trave incastrata o comunque in un sistema iperstatico): questo limita di molto la loro applicazione nell'edilizia residenziale, per esempio, e obbliga a realizzare viadotti stradali con giunti di dilatazione (che sarebbero presenti comunque) che fungono anche da compensazione nelle deformazioni dovute alle sollecitazioni (le travi di un viadotto rimangono elementi slegati tra loro, non diventano un unico elemento statico come, per esempio, la gabbia in cemento armato di un edificio gettata in opera). La progettazione della trave deve essere molto accurata, perché, date le sollecitazioni in gioco, piccoli errori di calcolo si possono trasformare in gravi danni per l'utenza delle strutture. La succitata autostrada dei parchi, per esempio, in un tratto in Abruzzo ha le travi di un viadotto tutte ingobbate verso l'alto: questo perché si commise un errore in fase di progettazione e non si considerò la dilatazione termica del materiale. Rispetto ad una trave reticolare in acciaio è più pesante.
Voci correlate
- Ponte
- Autostrada
- Inerte
- Flessione
- Sollecitazione dinamica
- Sollecitazione statica
- Dilatazione termica
- Frettage
