Materiali e Sollecitazioni – il Cemento armato PDF

Materiali e Sollecitazioni – il Cemento armato TeMEC_ Tecnologia dei Materiali e degli Elementi Costruttivi Corso B prof. Maria De Santis >>>>>> [email protected]  SCOPO DELLE STRUTTURE 1. Racchiudere o delimitare uno spazio; 2. Collegare du...

Materiali e Sollecitazioni – il Cemento armato TeMEC_ Tecnologia dei Materiali e degli Elementi Costruttivi Corso B prof. Maria De Santis >>>>>> [email protected]  SCOPO DELLE STRUTTURE 1. Racchiudere o delimitare uno spazio; 2. Collegare due pun6 3. Resistere all’azione di forze naturali. TuJe le struJure, per il solo faJo di esistere, sono soJoposte ad una varietà di carichi ai quali debbono RESISTERE. «Gli schemi di calcolo sono precedu1 e domina1 dall’idea che modella il materiale in forma resistente e lo adegua alla sua funzione». Eduardo Torroja, Razòn y ser de los 6pos estructurales (1960)  EFFICIENZA STRUTTURALE un manufa'o dovrebbe possedere le seguen2 qualità: RESISTENZA: capacità di un sistema di non rompersi quando è sogge'o a delle azioni; STABILITÀ: capacità di un sistema di subire perturbazioni senza allontanarsi defini2vamente dalla sua configurazione di equilibrio; DUTTILITÀ: capacità di un corpo di subire deformazioni permanen2 senza rompersi e senza perdere resistenza in modo apprezzabile; RIDONDANZA: qualità di una stru'ura di riuscire a sostenere i carichi in più di un modo, cioè di riportare a terra le azioni tramite più percorsi di carico. DURABILITÀ: capacità di mantenere le prestazioni per un tempo assegnato.  PROGETTO STRUTTURALE il processo che porta al dimensionamento o0male di una stru2ura portante di un’opera di ingegneria o archite2ura. Questo processo passa a2raverso alcuni step, che corrispondono a scelte fondamentali che deve fare il proge0sta. Proge2are una stru2ura significa scegliere fondamentalmente: MATERIALI SCHEMA STATICO Alcuni parametri che guidano la scelta del Gpo di stru2ura (in ordine sparso) : ESTETICA; FUNZIONALITÀ; LOGISTICA (Organizzazione del CanGere); TEMPISTICA (Velocità di messa in opera); DURATA COSTO  LA STRUTTURA La stru(ura è l’organismo costru2vo che ha il compito di sostenere i carichi e di trasferirli a terra a(raverso i vari meccanismi di resistenza del materiale di cui è composta. Una struttura per poter essere valutata e risolta viene rappresentata dallo SCHEMA STATICO che definisce la geometria generale, le dimensioni delle sezioni, le caratteristiche del materiale, le condizioni di vincolo e le condizioni di carico che la struttura stessa deve sopportare. carico vincolo vincolo La stru(ura nello svolgere il proprio compito di sostegno dei carichi non deve deformarsi eccessivamente e deve sempre mantenere un certo grado di sicurezza nei riguardi della fruibilità e del crollo. L’EQUILIBRIO definisce la forma della struttura, il modo in cui è vincolata a terra e i carichi che essa deve sostenere, l’equilibrio è il sistema di FORZE ATTIVO e REATTIVO che agiscono sullo SCHEMA STATICO.  SOLLECITAZIONI MECCANICHE Ogni AZIONE applicata su un elemento stru6urale, genera in esso delle SOLLECITAZIONI, classificate come: COMPRESSIONE TRAZIONE FLESSIONE TAGLIO TORSIONE TRAZIONE COMPRESSIONE FLESSIONE TAGLIO TORSIONE  MATERIALI e SOLLECITAZIONI Ognuno dei materiali da costruzione ha delle peculiarità, che li rendono più o meno idonei a sopportare un determinato tipo di sollecitazione. MATERIALE SOLLECITAZIONI LAPIDEO COMPRESSIONE LATERIZIO COMPRESSIONE LEGNO COMPRESSIONE, TRAZIONE e FLESSIONE METALLO COMPRESSIONE, TRAZIONE, FLESSIONE e TAGLIO CONGLOMERATI COMPRESSIONE Se combinati con : FLESSIONE e TAGLIO ferro, legno, laterizio Crollo ultimi tre piani palazzina anni Trenta Lungotevere Flaminio, Roma (2016)  Le azioni che interessano le costruzioni VARIAZIONI DI TEMPERATURA NEVE TERREMOTI VENTO FORZA DI PRESSIONE DEL TERRENO GRAVITA’ ASSESTAMENTI DEL TERRENO  Modo in cui si esercitano le azioni DIRETTE INDOTTE CONCENTRATE DISTRIBUITE VARIAZIONI DI DEFORMAZIONI, RITIRO, TEMPERATURA VISCOSITA’ Risposta strutturale STATICHE DINAMICHE non producono accelerazioni producono accelerazioni Variazioni di intensità nel tempo PERMANENTI ACCIDENTALI ECCEZIONALI P.P. StruCure Mobili e attrezzature Collisioni P.P. SovrastruCure Carichi mobili di Esplosioni Pressione terreno persone e di veicoli in Terremoti Subsidenza terreno transito Incendi Cedimento vincoli Agenti atmosferici Frane Pressione acque Variazioni temperature Uragani … … …  AZIONI DIRETTE 1. CONCENTRATE  AZIONI DIRETTE 2. DISTRIBUITE - uniformemente - non uniformemente VARIAZIONI DI TEMPERATURA Variazioni dimensionali DL Lo L L - Lo Δ L = lunghezza x coefficiente di dilatazione termica x differenza di temperatura DILATOMETRO per verificare l'aumento di lunghezza di una barra di qualsiasi materiale CARICO ACCIDENTALE  CARICO PERMANENTE CARICO ACCIDENTALE peso proprio della stru-ura CARICHI MOBILI AGENTI NATURALI + persone neve peso proprio di tu/ i carichi che gravano animali acqua piovana veicoli in transito ghiaccio permanentemente su di essa a-rezzature vento PESO PROPRIO = Peso Specifico x Volume (N/m3) Arredi pressione della acque spinta del terreno Esempio carichi d’esercizio per solai : ü abitazione = 200 kg/m2 ü balconi, scale (suscettibili di affollamento) = 400 kg/m2 PROVE IN OPERA prove di carico con carichi distribui1 misura dell’abbassamento (freccia) durante la prova di carico  Leggi della Dinamica CONDIZIONI DI un corpo è immobile fintanto EQUILIBRIO che non gli si applichi una forza il corpo in questo caso si dice in equilibrio un corpo è immobile se la risultante delle forze applicate è uguale a zero Affinché si produca la condizione di equilibrio perturbata da P deve essere ad AZIONE corrisponde una applicata una forza uguale e contraria REAZIONE uguale e contraria P = P’ quindi P- P’ = 0 Affinché si produca la condizione di CONDIZIONI DI movimento perturbata da P deve MOVIMENTO essere applicata una forza diversa e contraria dove P > P’ Gli elemen( stru-urali non sono isola( nello spazio, ma connessi mediante speciali disposi(vi chiama( VINCOLI carrello 2 gradi di libertà una gru oltre a ruotare su se stessa può procedere in orizzontale lungo un binario: Rotazione Traslazione orizzontale cerniera 1 grado di libertà una cerniera di una porta perme-e la sola rotazione intorno a un perno: Rotazione incastro 0 gradi di libertà Una mensola di una libreria può essere fissata al muro in modo da avere 0 gradi di libertà Affinché un elemento strutturale non si stacchi dal supporto, A occorre che alla forza P si opponga, nel vincolo A, una forza uguale e contraria. La soluzione è in EQUILIBRIO se accanto alla condizione di Equilibrio esterno (l’ancoraggio non deve cedere) è verificata la condizione di Equilibrio interno (l’elemento strutturale non si deve rompere)  AZIONE e REAZIONE ovvero SOLLECITAZIONE e DEFORMAZIONE Ogni corpo soggetto ad un carico si deforma talvolta la deformazione è visibile ad occhio nudo………………..nelle costruzioni no Se si sale sopra un ma.one di laterizio questo si deforma accorciandosi di una misura non visibile ad occhio nudo Il corpo più robusto si deforma anche quando è sollecitato dalla forza più modesta perché NON ESISTE un corpo PERFETTAMENTE RIGIDO CALCOLO DELLA ε = L’/ L DEFORMAZIONE Lunghezza originaria Allungamento o Accorciamento TOTALE DEFORMAZIONE (allungamento o accorciamento) unitaria  COMPORTAMENTO DEI MATERIALI SOTTO CARICO FRAGILI DUTTILI materiali che, soggetti ad materiali che prima di una sollecitazione, si rompersi si deformano. rompono senza deformarsi. - Vetro - Acciaio - Materiali lapidei (pietre e marmi) - Rame - Materiali ceramici (laterizio, - Alluminio ceramica, ecc.) - O?one - Ghisa  COMPORTAMENTO complesso P massimo ACCIAIO P di ro9ura P di snervamento SNERVAMENTO P elas:co a fini strutturali i materiali vengono impiegati entro i limiti di elasticità lineare CAMPO CAMPO PLASTICO ROTTURA Le deformazioni ELASTICO Le deformazioni aumentano in aumentano più proporzione ai carichi rapidamente dei carichi fino ad aumentare anche in condizioni di carico costante RIGIDEZZA FLESSIONALE Quali fattori influenzano i valori della freccia? ACCIAIO ALLUMINIO E= 700.000 kg/cm2 Il materiale impiegato E= 2.100.000 kg/cm2 La deformazione dipende dal Modulo di Elasticita’, a parità di carico un materiale con un maggiore modulo di elasticità si deforma di meno, quindi è più RIGIDO. Forma Distribuire la materia in maniera efficiente per elevare la rigidezza  La soluzione più efficiente, ovvero la forma “o7male” che prevede il minimo dispendio di materia e dunque il minor peso della struezza del calcestruzzo ed alla eccessiva fessurazione. le barre, le staffe e le altre armature devono rimanere situate nella posizione definita in proge1o, dentro le tolleranze definite. È anche necessario fissare e realizzare corre>amente le sovrapposizioni e gli ancoraggi le legature devono essere realizzate in modo tale che, durante il ge>o, non si alteri la configurazione definita nel montaggio l’armatura posizionata e fissata deve perme>ere la posa in opera del calcestruzzo e la sua compa>azione, per la quale è necessario ado>are distanze minime e ricoprimen4 adegua4 delle armature legatura dei ferri di armatura legatura dei ferri di armatura con il fili di ferro Eseguita con fil di ferro legato con tenaglie o con fermagli particolari con l’uso di legatrici meccaniche con saldature eseguita negli stabilimen- di presagomatura che assicurano l’esecuzione di so5o condizioni ben controllate. Il c.a.p. - cemento armato precompresso Trazione nella trave in flessione La precompressione è una tecnica industriale consistente nel produrre ar2ficialmente una tensione nella stru4ura in c.a. allo scopo di migliorarne le cara4eris2che di “precompressione” RESISTENZA. 1928 brevetto di Eugène Freyssinet Precompressione + Trazione = si annullano  Il c.a.p. - cemento armato precompresso I processi industriali per realizzare la precompressione sono sostanzialmente di due tipi, tra l'altro contemplati nella normativa vigente: § a cavi (o fili) aderenti (sistemi a cavi pre-tesi) § a cavi (o fili) scorrevoli alle estremità (sistemi a cavi post-tesi)  Il c.a.p. a cavi pre-tesi FASE 1: Sulla pista di precompressione vengono tesi i ferri di acciaio armonico tra le testate di ancoraggio.. FASE 2: Tesi i ferri si procede al posizionamento del cassero e dell’armatura "lenta". Si ge9a il calcestruzzo. I cavi rimangono in tensione durante l’indurimento del cls.. FASE 3: Una volta indurito il calcestruzzo i cavi vengono taglia>> Superficie del calcestruzzo chiara/scura Finitura della superficie >>> Finitura della superficie in calcestruzzo Giunzione dei pannelli >>> Tipo impronta sulla superficie del calcestruzzo Fissaggio del pannello >>> Impronte sulla superficie del calcestruzzo  la casa si sarebbe dovuta trasformare in una “macchina per abitare” adeguandosi al periodo storico rivoluzionato dall’invenzione delle macchine. alta 17 piani, 337 appartamenF, possono abitarvi 1500 persone Le Corbusier, L’Unité d'Habitation de Marseille, 1946  Il legno lascia la sua "impronta"sul calcestruzzo, che prende i disegni, in negativo, della fibra e dei nodi delle tavole di legno utilizzate. Questo aspetto può essere enfatizzato per conferire al cemento armato un bell'aspetto superficiale, al fine di lasciarlo a vista (cemento faccia a vista). Le Corbusier, L’Unité d'Habita5on de Marseille, 1946  Pannelli in c.a.p con finitura esterna in ghiaia di fiume Le Corbusier, Couvent de la Tourette, Éveux, Francia, 1960  “che da oltre 20 anni tu0 i miei sforzi, come proge0sta e costru8ore, sono sta9 dire0 a superare tu0 gli ostacoli economici e vincoli formali delle casseforme in legname… fino a che ques9 vincoli non saranno elimina9, l’archite8ura del cemento armato sarà̀ sempre ostacolata dalla necessità di essere, sia pure per un solo momento, un’archite8ura di tavole.” P.L. Nervi Video «Pierluigi Nervi raccontato da Paolo Portoghesi, Paolo Marconi e Antonio Michetti» https://www.youtube.com/watch?v=tjbdMNbVvlQ  Il Sistema Nervi è un mix di soluzioni tecniche che danno l’input a un nuovo modo di costruire, economico e rapido. Nel 1944 il ferrocemento: nasce durante il periodo dell’autarchia, quando in Italia l’impiego del cemento armato viene proibito perché non “italico”. Per cui inventa una soluzione alternaCva, modificando le proporzioni tra il cemento e l’armatura. Nel 1949 il concio d’onda: sagomatura ondulata, oEenibile facilmente con il ferrocemento, consente di sfruEare la resistenza per forma invece che per massa, con conseguenC grandi economie di materiale. Nel 1950 tavellone romboidale e il sistema nonna, mamma, figlia. I tavelloni sono di ferrocemento e funzionano come casseforme a perdere per il geEo delle nervature. Palazze&o dello sport, Roma, 1956 Comprende in parte il processo generaCvo, cioè la arch. Annibale Vitellozzi - ing.Pier Luigi Nervi sequenza “nonna, mamma, figlia” che garanCsce grandi economie di tempo in canCere. Palazzetto dello sport, Roma, 1956 arch. Annibale Vitellozzi - ing.Pier Luigi Nervi casseforme in compensato ricoperte da uno strato di resina poliuretanica Louis kahn, Salk Institute, San Diego – California, 1965 Tadao Ando , Azuma house, Taken at Sumiyoshi, Osaka, 1976 (Japan) I fori lasciaB sulla superficie dai collegamenB fra le due facce della cassaforma e giunB dei pannelli evidenziano una concezione basata sull’ordine e sulla modularità  Coni per c.a. a faccia vista Punto di serraggio «ancorante a perdere» con cono in plas7ca e acciaio Distanziatore tubolare con cono profondo d = 22mm  concrete skin grandi pannelli prefabbrica2 a doppia curvatura strumento di iden2tà e espressione dell’archite9ura. Dalla collaborazione di modalità realizza1ve, fornitura di materiali altamente tecnologici e innova1vi il cemento bianco tx ac1ve, che garan1sce una performance di autopulizia e di disinquinamento capace non solo di prestazione meccanica e durevolezza di rilievo. Richard Meier, Chiesa Dives in misericordia, Roma, 1998 breve%o Italcemen/ Calcestruzzo 3-SC (SELF-COMPACTING, SELF- COMPRESSING, SELF-CURING) con l’impiego di addiNvi, per produrre un calcestruzzo autocompa.ante e privo di segregazione capace di riempire le casseforme, nonostante un congesNonato sistema di armature metalliche, e di garanNre una superficie a vista priva di difeR in quanto in grado di stagionare le pareN di cemento armato subito dopo la rimozione delle casseforme Maxxi Roma, Zaha Hadid, 2010  matrici e addi*vi coloran/ per cls. Le MATRICI vengono u)lizzate in prefabbricazione e nei ge4 in opera per imprimere disegni e rilievi sulla faccia a vista del calcestruzzo. Spesso sulle superfici del cls. si possono formare delle imperfezioni, che molte volte me=ono in discussione la convenienza stessa del materiale. Imprimere un disegno sulla superficie a faccia vista aiuta proge4s) e costru=ori ad eliminare le imperfezioni, ed abbellire le proprie opere. Vengono collocate, all’interno delle casseforme di legno o in ferro, dei teli elas/ci denomina) matrici ada4 per tu4 i )pi d’impas) (ordinario, alleggerito, colorato, cemento bianco, calcestruzzo lavato, ecc.), su cui viene steso specifico addi/vo disarmante per garan)re la qualità dell’opera. Herzog & de Meuron, Library, Eberswalde, Germania, 1994/99 Il c.a. a vista trattato con un procedimento di stampa fotografico a controllo numerico che trasferisce l’immagine, mediante fresatura, su lastre in materiale sintetico. SPEECH architectural office, The Museum for Architectural Drawings of the Tchoban Founda@on, Berlino, 2013 UNSTUDIO, Mercedes-Benz Museum, Stuttgart, Germany, 2001–2006 La stru(ura del Museo si basa sull'idea di un trifoglio che crea tre ambien7 sovrappos7, e al cui il centro si forma un vuoto a formare un atrio triangolare. I piani semicircolari ruotano a(orno all'atrio centrale formando piani orizzontali che si alternano tra doppie e singole altezze “Per quanto riguarda alcune stru1ure, come il Mercedes-Benz Museum, il cemento era l’unico materiale da scegliere. In quel caso, ad esempio, il