Cemento armato

Definizione-Etimologia

Più propriamente detto calcestruzzo armato o conglomerato cementizio armato, e comunemente abbreviato con c.a., è un materiale artificiale usato per la realizzazione di elementi strutturali nelle costruzioni civili (edifici, ponti, opere di sostegno, fondazioni, dighe ecc.), costituito da calcestruzzo (miscela di cemento, acqua, sabbia e aggregati, cioè elementi lapidei, come la ghiaia) e barre di acciaio (armatura) incorporate al suo interno e opportunamente sagomate e interconnesse fra loro.

Generalità

Il cemento armato sfrutta l’unione di un materiale da costruzione tradizionale e relativamente poco costoso come il calcestruzzo, dotato di una buona resistenza a compressione ma con una modesta resistenza a trazione (da 1/10 a 1/15 di quella a compressione), con l’acciaio, dotato di un’ottima resistenza, sia a trazione che a compressione, e di notevole duttilità. L’armatura, se disposta in modo appropriato, conferisce un comportamento duttile all’intero elemento strutturale in cemento armato.

Storia

L’invenzione del cemento armato si fa risalire alla metà dell’Ottocento quando J.L. Lambot costruì una piccola imbarcazione con struttura metallica ricoperta di calcestruzzo, presentata all’Esposizione Universale di Parigi del 1855 e, successivamente, un giardiniere parigino di nome Joseph Monier costruì vasi da fiori, con cemento e gabbie metalliche, registrando il primo brevetto il 16 luglio 1867. Negli anni successivi ottenne i brevetti per la costruzione di tubi, serbatoi, solette piane e curve, scale e altri elementi in cemento armato, dove erano già contenuti i concetti elementari per la disposizione dell’armatura.
Forte impulso all’utilizzo di questo materiale si ebbe con il grande imprenditore belga F. Hennebique, che realizzò la filanda Barrios a Tourcoing, vicino a Lilla (1896), uno dei primi fabbricati interamente costruiti in cemento armato, e con l’architetto-imprenditore Auguste Perret, tra le cui opere in cemento armato spicca la casa in Rue Franklin a Parigi del 1903.
Tra i progettisti che svilupparono le potenzialità di questo materiale si ricordano l’architetto franco-svizzero Le Corbusier (1887-1965), nella sua ricerca di forme plastiche e libertà spaziali, R. Maillart (1872-1940) che propose forme strutturali innovative, e P.L. Nervi (1891-1979) la cui opera è volta a conseguire l’identificazione fra calcolo strutturale e soluzione formale.
Tra gli studiosi, oltre che progettisti, che teorizzarono il comportamento strutturale del cemento armato si ricordano E. Mörsch (1872-1950), E. Torroja (1899-1961) e F. Leonhardt (1909-1999).

Caratteristiche del materiale

La collaborazione tra due materiali così eterogenei, il calcestruzzo e l’acciaio, è spiegata tenendo presenti due aspetti fondamentali: per prima cosa tra l’acciaio e il calcestruzzo si manifesta un’ottima aderenza, capace di trasmettere le tensioni dal calcestruzzo all’acciaio; inoltre i coefficienti di dilatazione termica dei due materiali sono sostanzialmente uguali tra loro. Per aumentare l’aderenza tra i due materiali, da qualche decennio, al posto delle barre lisce di acciaio vengono utilizzate barre ad aderenza migliorata, cioè barre sulla cui superficie sono presenti intaccature o nervature.
Le costruzioni in calcestruzzo armato presentano, rispetto a quelle che utilizzano altri materiali per strutture, vantaggi notevoli, tra essi i più importanti sono elencati nel seguito:

hanno una grande adattabilità, per forma e dimensioni, come anche per la varietà delle applicazioni pratiche (la forma può adattarsi a un semplice getto di fondazione o al più complesso modello architettonico);
realizzano un’efficace solidarietà fra le diverse parti, per la natura stessa della loro esecuzione;
presentano in parte i caratteri estetici delle costruzioni in pietra, accoppiati alla leggerezza e all’arditezza delle costruzioni in acciaio;
le spese di manutenzione sono ridotte;
l’acciaio è protetto nei riguardi degli agenti ossidanti dal calcestruzzo che lo avvolge (soprattutto se sono seguite le prescrizioni normative a riguardo);
resistono bene all’azione del fuoco;
si tratta di un metodo di costruire economico, rapido e di semplice esecuzione.

Gli aspetti negativi del materiale sono:

scarsa coibenza acustica, dovuta alla monoliticità del cemento armato;
scarsa coibenza termica;
peso proprio rilevante;
difficoltà di adattamento in caso di modifiche o varianti al fabbricato.

Strutture, stati tensionali e comportamento meccanico

Nelle strutture sollecitate a flessione o a trazione, le barre d’armatura hanno la funzione di assorbire le sollecitazioni di trazione, poiché nelle parti più sollecitate le sollecitazioni possono facilmente superare la modesta resistenza a trazione del calcestruzzo e il conglomerato di conseguenza si fessura. Pertanto, l’armatura va collocata nella zona tesa delle strutture, possibilmente seguendo la direzione delle forze interne di trazione. Nelle zone sollecitate a compressione, l’armatura aumenta la capacità portante a compressione e genera un comportamento duttile in prossimità del collasso.
La solidarietà tra acciaio e calcestruzzo negli elementi in cemento armato viene garantita con un opportuno ancoraggio delle barre alle loro stesse estremità, nonché dall’aderenza che si instaura lungo tutto il loro sviluppo e che assicura in ogni sezione la trasmissione di sforzi di scorrimento tra i due materiali. L’aderenza tra acciaio e calcestruzzo è dovuta ad alcuni fenomeni di diversa natura: adesione chimica molecolare (che garantisce per basse sollecitazioni un’unione senza scorrimenti, ma che è limitata a modesti valori di resistenza), compenetrazione geometrica dovuta alla scabrosità delle superfici a contatto (potenziata con apposite nervature come quelle delle barre ad aderenza migliorata), contributi di attrito dovuti ad eventuali compressioni trasversali (ritiro e forze interne di compressione), contributo del confinamento trasversale (fornito da armature trasversali o cerchiature con funzionamento a traliccio, da membrature trasversali).
Le strutture portanti in cemento armato si distinguono fondamentalmente, in funzione del loro comportamento e della forma, fra strutture ad aste e strutture a superficie resistente. Le travi e i pilastri sono strutture portanti ad aste, mentre le piastre, le lastre (piastra e lastra) e le volte sottili sono strutture portanti a superficie resistente.
Gli elementi in calcestruzzo vanno sempre avvolti in una gabbia metallica superficiale. Il dimensionamento di tale gabbia metallica va rapportato alla massa di calcestruzzo da armare in modo da introdurre un sensibile apporto di resistenza duttile (armatura minima). Bisogna garantire una sufficiente diffusione delle armature stesse imponendo un interasse massimo delle barre (≤ 300 mm) e correlando la spaziatura di staffe e legature al lato minore del pilastro (interasse delle staffe minore del lato più corto). Nel caso in cui le armature siano inferiori ai minimi sopra citati si ha la tipologia delle opere in calcestruzzo semplice (non armato o debolmente armato), come le murature e le altre strutture massive, che vengono progettate con criteri appositi. Grandi percentuali di armature, superiori al 4%, rendono incerta l’effettiva collaborazione tra i due materiali per problemi di aderenza. In questo caso, si entra nel campo delle strutture denominate “miste”, nelle quali l’aderenza tra acciaio e calcestruzzo va affidata ad appositi dispositivi connettori.
Il comportamento meccanico delle membrature in cemento armato risulta complesso a causa del comportamento non lineare del calcestruzzo e per la presenza di possibili sezioni fessurate (parzializzazione). Le membrature compresse, ad esempio i pilastri, teoricamente potrebbero essere realizzate senza armatura, se si fa riferimento solo alla resistenza, tenuto conto che non sono presenti sforzi di trazione. In realtà, esse sono provviste di due ordini di armature: un’armatura longitudinale, costituita da barre poste agli spigoli ed eventualmente lungo i lati, e un’armatura trasversale, costituita da staffe, ovvero barre di diametro minore sagomate in modo da racchiudere le armature longitudinali. Le barre longitudinali hanno il compito di aumentare la resistenza a compressione del pilastro, equilibrare trazioni dovute a flessioni locali, conferire un comportamento duttile alla membratura e limitare la deformazione viscosa. Le staffe vanno sagomate e dimensionate in modo da garantire un efficace vincolo alle barre longitudinali al fine di contrastare inflessioni verso l’esterno dovute a instabilità per carico di punta delle barre longitudinali stesse.
Il comportamento evolutivo in termini di carico-spostamento di una membratura soggetta a una sollecitazione che prevede zone tese (trazione, flessione e taglio, pressoflessione con grande eccentricità, torsione) presenta tre stadi che si caratterizzano fortemente. Lo stadio I è caratterizzato da sezioni integre di calcestruzzo, il quale da solo contrasta la sollecitazione esterna, sia nelle zone compresse che in quelle tese, e presenta un comportamento quasi-lineare. La presenza dell’acciaio può essere trascurata. Lo stadio II è caratterizzato da sezioni fessurate, il calcestruzzo contribuisce alla resistenza con le proprie parti compresse, mentre le barre d’acciaio contrastano le trazioni. I materiali acciaio e calcestruzzo hanno un comportamento quasi-lineare. Lo stadio III, o del collasso, è caratterizzato dal raggiungimento o da parte del calcestruzzo o da parte dell’acciaio o di entrambi delle deformazioni ultime, accettabili per garantire la sicurezza della membratura.
La resistenza di un elemento soggetto a forza assiale e momento flettente può essere valutata attraverso la determinazione, per una data sezione, del dominio di resistenza, definito come l’insieme delle sollecitazioni, in termini di azione assiale e momento flettente, che possono essere equilibrate dalla sezione stessa. Il dominio di resistenza si determina valutando la forza assiale e il momento flettente resistenti risultanti dallo stato tensionale generato dalle deformazioni limite (campi di rottura) stabilite dalla normativa.
La resistenza alle sollecitazioni di taglio (nella flessione) e alla torsione viene valutata attraverso modelli basati su tralicci piani o tridimensionali idealizzati che prevedono gli elementi compressi individuati dal calcestruzzo compreso tra le fessure e gli elementi tesi dalle armature opportunamente disposte (staffe e barre longitudinali).
Durante il periodo di maturazione il calcestruzzo indurito si contrae diminuendo il suo volume e questo fenomeno viene contrastato dalle barre di armatura e da eventuali vincoli, inducendo stati tensionali di trazione che in alcune zone possono condurre alla fessurazione. Nelle zone che rimangono compresse nel tempo, e in special modo nei pilastri, a causa del comportamento viscoso, il calcestruzzo continua a contrarsi rispetto alla deformazione iniziale. Questo fenomeno conduce a una ridistribuzione dello stato tensionale interno tra calcestruzzo e acciaio, con aumento per quest’ultimo dello stato tensionale interno rispetto a quello presente inizialmente.
Una membratura che presenti zone in trazione può fessurarsi per bassi livelli di carico, ovvero in corrispondenza dei carichi di esercizio. Le fessure si formano a una certa distanza l’una dall’altra. Quando questa distanza risulta inferiore a un valore che dipende da alcuni parametri meccanici (qualità del calcestruzzo, qualità dell’aderenza acciaio-calcestruzzo ecc.) la fessurazione si stabilizza, cioè non possono formarsi nuove fessure, e incrementi di trazione producono apertura delle fessure già presenti. L’eventuale stato fessurativo incide in maniera fondamentale sulla deformazione della membratura. Se l’elemento strutturale non presenta stati fessurativi, la deformazione e gli spostamenti si valutano considerando un comportamento elastico lineare del materiale con sezione integra. Se sono presenti fessurazioni, la deformabilità viene valutata come una media ponderata di zone dove la sezione è parzializzata e di altre con sezione integra. Questo modello è legato alla considerazione che la distribuzione delle fessure è discreta, e tra una fessura e l’altra il calcestruzzo è integro e contribuisce all’irrigidimento della membratura in virtù dell’aderenza tra acciaio e calcestruzzo.
Lo sviluppo della tecnologia dei materiali ha condotto al miglioramento della resistenza del calcestruzzo, inducendo alla realizzazione di membrature sempre più snelle. Per queste, nel caso in cui la compressione è prevalente, occorre tenere conto che il collasso della membratura è influenzato, a seconda del grado di snellezza dell’elemento stesso, da fenomeni di instabilità.
La progettazione degli elementi strutturali in cemento armato si completa attraverso le disposizioni generali per la messa in opera delle barre d’armatura e del calcestruzzo (dettagli costruttivi).
Un requisito fondamentale della struttura in cemento armato è rappresentato dalla durabilità, intesa come capacità di conservare le prestazioni di progetto per tutta la durata della vita utile nominale della struttura stessa, in specifiche condizioni ambientali e di manutenzione. Essa è condizionata prevalentemente dalla corrosione delle armature per carbonatazione del calcestruzzo o per presenza di cloruri. Pertanto, sulla base dell’aggressività dell’ambiente (esposizione) devono essere progettati lo spessore del copriferro che riveste la gabbia metallica, la qualità dei materiali impiegati, il proporzionamento dell’impasto, la sua messa in opera e la successiva maturazione.

Bibliografia

Cosenza E., Manfredi G., Pecce M., Strutture in Cemento Armato. Basi della Progettazione, Milano, 2008; Leonhardt F., Mönnig E., C.A. & C.A.P. Calcolo di progetto e tecniche costruttive, Milano, 1989; Pedeferri P., La corrosione nel calcestruzzo: fenomenologia, prevenzione, diagnosi, rimedi, Roma, 2006; Toniolo G., Di Prisco M., Cemento Armato. Calcolo agli Stati limite, Bologna, 2009; Santarella L., Il Cemento Armato, Milano, 1998.