STRUTTURE CEMENTO ARMATO, CEMENTO ARMATO... · PDF filequello del cemento armato...

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  • CEMENTO ARMATO, PRECOMPRESSO E MURATURE

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    STRUTTURE CEMENTO ARMATO, PRECOMPRESSO E MURATURE IN

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    Generalit Nel nostro Paese la maggior parte degli edifici ad uso civile ed industriale viene ancora oggi realizzata con strutture portanti in conglomerato cementizio armato, gettate completamente in opera o parzialmente prefabbricate. Uno dei punti di forza di tale tipologia costruttiva dato proprio dalleccellente comportamento al fuoco esibito nel corso degli anni: numerosi sono i casi di edifici in cemento armato coinvolti in incendi di dimensioni considerevoli, i quali non solo hanno mantenuto la propria capacit portante per lintera durata dellevento, ma sono stati successivamente riparati e riutilizzati in breve tempo. Il calcestruzzo un materiale incombustibile caratterizzato da unelevata inerzia termica, mentre lacciaio che costituisce le barre darmatura molto pi sensibile alle alte temperature. Il buon comportamento al fuoco di queste strutture dovuto proprio allazione protettiva esercitata dal calcestruzzo nei confronti delle armature di rinforzo le quali, non essendo direttamente esposte alle fiamme, si mantengono a temperature relativamente basse conservando cos la propria capacit portante. In altre parole, il calcestruzzo riveste una duplice funzione, portante nei confronti dei carichi esterni ed isolante per lacciaio nei confronti delle sollecitazioni termiche. Il comportamento al fuoco delle strutture in cemento armato influenzato da diversi fattori, tra cui spiccano lo spessore di ricoprimento delle armature (comunemente denominato copriferro), lo stato di sollecitazione interno, lo schema statico e le propriet termiche e meccaniche dei materiali al variare della temperatura. Sono rari i casi di crolli importanti di strutture in cemento armato coinvolte in incendi, anche se occasionalmente avvengono. In questi casi, le cause non sono quasi mai da attribuire alla perdita di resistenza dei materiali, ma quasi sempre allincapacit della struttura di assorbire le grandi deformazioni termiche orizzontali che provocano il collasso dei pilastri e dei setti portanti per taglio o per instabilit. Un fenomeno del tutto particolare che si pu verificare quando un elemento in cemento armato viene sottoposto ad alte temperature consiste nel distacco locale del copriferro, con conseguente esposizione diretta alle fiamme dellarmatura: tale fenomeno noto con il nome di spalling. Ci avviene in conseguenza allallontanamento del vapore acqueo contenuto nellimpasto cementizio causato dal riscaldamento: il vapore genera una pressione interstiziale che provoca nel calcestruzzo tensioni di trazione, spesso superiori a quelle ammissibili. Fattori che favoriscono questo fenomeno sono dunque lalto grado di umidit del calcestruzzo, il rapido incremento della temperatura, la snellezza dellelemento e lelevato livello tensionale interno allelemento. I calcestruzzi ad alta resistenza sono ancora pi suscettibili di spalling rispetto ai calcestruzzi ordinari a causa dellelevata compattezza dellimpasto: infatti, la bassa porosit di questi materiali favorisce la saturazione degli interstizi e fa si che in breve tempo la pressione interna del vapore acqueo raggiunga valori critici. Per prevenire questo fenomeno possibile aggiungere nellimpasto sottili fibre in materiale plastico le quali, nel corso dellincendio, sublimano lasciando il posto a nuove cavit: in questo modo aumenta la porosit del materiale e di conseguenza viene favorita levacuazione dellumidit e la riduzione della pressione interstiziale. In alternativa possibile addizionare limpasto con fibre in acciaio che aumentano la solidit del materiale, oppure si pu ricorrere alluso di armature di pelle. Oggi il mercato offre varie soluzioni per la realizzazione di strutture in cemento armato, che vanno dallimpiego dei cosiddetti calcestruzzi speciali allimpiego di elementi prefabbricati, ad armatura lenta o di precompressione. Appare quindi importante analizzate brevemente le principali problematiche specifiche connesse allesposizione al fuoco di tali materiali. Calcestruzzo ad alta resistenza Il calcestruzzo ad alta resistenza contiene additivi che ne aumentano la resistenza a compressione fino

    a 50120 MPa. Alle alte temperature, questo materiale subisce una riduzione di resistenza maggiore rispetto al calcestruzzo ordinario, in molti casi accompagnata da problemi di spalling. Ai fini progettuali, si suggerisce di ignorare il contributo resistente del calcestruzzo soggetto a temperature superiori ai 500 C; per le colonne, opportuno ridurre questo valore di soglia a 400 C. Calcestruzzo alleggerito Il calcestruzzo alleggerito viene realizzato con cemento normale e aggregati leggeri, quali pietre di pomice, argilla espansa, perlite o vermiculite, materiali molto stabili alle alte temperature. Questo tipo di calcestruzzo presenta un ottimo comportamento in caso dincendio, in quanto caratterizzato da una conduttivit termica inferiore rispetto ai calcestruzzi ordinari. Calcestruzzo rinforzato con fibre

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    Questo genere di calcestruzzo rinforzato con piccole fibre dacciaio aggiunte nellimpasto, che ne incrementano la resistenza e la solidit. Le fibre solitamente hanno il diametro dellordine di 0.5 mm ed una lunghezza compresa tra 25 e 40 mm, con increspature o uncini agli estremi per garantire laderenza. In condizioni dincendio, le fibre in acciaio aumentano la resistenza ultima e la duttilit del calcestruzzo. Calcestuzzo precompresso Il comportamento al fuoco del cemento armato precompresso (a cavi pre-tesi o post-tesi) analogo a quello del cemento armato ordinario, anche se in molti casi gli elementi precompressi risultano molto pi sensibili alle alte temperature. Ci dovuto in parte alle caratteristiche meccaniche dei cavi di precompressione, che allaumentare della temperatura si riducono pi rapidamente rispetto alle armature lente tradizionali: solitamente si assume come temperatura di collasso per i cavi di precompressione la temperatura di 350C contro i 500C considerati per le armature lente. Un ulteriore punto di debolezza dato dallelevata snellezza di molti elementi prefabbricati, quali ad esempio i tegoli di copertura: lesigenza di alleggerire il pi possibile gli elementi spesso comporta una drastica riduzione delle sezioni resistenti e di conseguenza dei copriferri dei cavi di precompressione. Inoltre, per le strutture prefabbricate assumono particolare importanza alcune potenziali modalit di collasso, quali la rottura per taglio, per perdita di aderenza dei cavi di precompressione, per perdita di equilibrio di singoli elementi e per spalling. Calcestruzzo rinforzato esternamente Quando si ha la necessit di intervenire strutturalmente su di una struttura gi esistente, spesso si ricorre allimpiego di materiali di rinforzo da applicare sulla superficie esterna degli elementi strutturali. Luso di rivestimenti in fibre epossidiche rappresenta una nuova tecnologia nel campo dei rinforzi esterni: si tratta in particolare di fibre di vetro, carbonio o teflon annegate in resine epossidiche, che vengono utilizzate per rivestire pilastri in cemento armato al fine di confinare il calcestruzzo, o vengono incollate alle superfici delle travi per migliorarne la resistenza flessionale. Tali materiali non hanno la minima resistenza al fuoco, in quanto sono prodotti che fondono gi a basse temperature: tuttavia, se la struttura in cemento armato possiede di per se una resistenza sufficiente a reggere i carichi presenti al momento dellincendio, si pu ammettere la perdita del rinforzo esterno in condizioni dincendio, salvo poi ripristinarlo ad evento esaurito. Propriet termiche del materiale Il calcestruzzo armato composto essenzialmente da due materiali, il conglomerato cementizio e le barre darmatura in acciaio. Le propriet termiche dellacciaio darmatura sono del tutto simili alle propriet termiche dellacciaio da carpenteria, per le quali si rimanda alla visione della parte riguardante la protezione passiva dal fuoco delle strutture in acciaio.Per quanto riguarda il conglomerato cementizio, vengono di seguito riportate le leggi di variazione del calore specifico e della conducibilit termica al variare della temperatura. Il calore specifico cp (J/kgK) del calcestruzzo molto sensibile alle variazioni di temperatura per la presenza dellumidit contenuta nellimpasto. Si pu apprezzare tale fenomeno osservando la figura 1: il valore di picco compreso tra i 100 e i 200 C dovuto proprio allespulsione dellumidit in fase di riscaldamento. In prima approssimazione, si pu considerare il calore specifico come indipendente dalla temperatura del calcestruzzo, assumendo un valore pari a 1000 J/kgK per calcestruzzi ad aggregati silicei e calcarei, e 840 J/kgK per calcestruzzi alleggeriti.

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    Figura 1 Calore specifico del calcestruzzo in funzione della temperatura (ENV 1992-1-2)

    Anche la conducibilit termica lc (W/mK) del calcestruzzo dipende fortemente dall