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CEMENTO ARMATO - CARATTERISTICHE MECCANICHE

tecnologia delle costruzioni


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CEMENTO ARMATO

GENERALITA'

Il cemento armato (la cui definizione più corretta sarebbe calcestruzzo armato) è un materiale usato per la costruzione di edifici, ponti, gallerie, acquedotti, ecc. composto da calcestruzzo (una miscela di cemento, acqua, sabbia o aggregati, cioè elementi lapidei, come la ghiaia) e barre di acciaio annegate al suo interno. È un materiale utilizzato sia per la realizzazione dello scheletro degli edifici, al posto del più costoso acciaio, che dei solai o di manufatti come ad esempio i muri di sostegno dei terrapieni.




Come l'acciaio, anche il cemento armato può essere realizzato in officina per produrre elementi prefabbricati (in genere travi e pilastri). La produzione in officina permette di avere un miglior controllo sulla qualità del calcestruzzo, ma, essendo più costosa, viene utilizzata con regolarità quando le condizioni climatiche del cantiere sono proibitive ( 131h74b non a caso la prefabbricazione si è sviluppata moltissimo in Russia), o quando gli elementi da produrre richiedono dei controlli rigorosi, come può essere il caso di alcune tecnologie con le quali viene realizzato il cemento armato precompresso. In cantiere, la tecnologia del calcestruzzo gettato in opera ha il vantaggio di creare meno problemi nei nodi tra gli elementi, cioè in quei punti in cui si uniscono travi e pilastri.

CARATTERISTICHE MECCANICHE

Il cemento armato sfrutta l'accoppiamento di un materiale da costruzione tradizionale e poco costoso come il calcestruzzo, dotato di una notevole resistenza alla compressione ma con il difetto di una scarsa resistenza alla trazione, con un materiale molto più costoso quale l'acciaio ma dotato di un'ottima resistenza a trazione. Quest'ultimo è utilizzato in barre e viene annegato nel calcestruzzo nelle zone ove è necessario far fronte a degli sforzi di trazione.

La collaborazione tra due materiali così eterogenei è spiegata tenendo presenti due punti fondamentali:

  • Tra l'acciaio ed il calcestruzzo, si manifesta un'aderenza che trasmette le tensioni dal calcestruzzo all'acciaio in esso annegato. Quest'ultimo, convenientemente disposto nella massa, collabora assorbendo essenzialmente gli sforzi di trazione, mentre il calcestruzzo assorbe quelli di compressione.

Per aumentare l'aderenza tra i due materiali da qualche decennio al posto delle barre lisce d'acciaio vengono utilizzate barre ad aderenza migliorata, cioè barre sulle quali sono presenti dei risalti.

COMPOSIZIONE

Il calcestruzzo più comune è costituito da un impasto di cemento portland, acqua e inerti fini, come la sabbia, e grossolani, come la ghiaia e il pietrisco. La dimensione degli inerti varia in funzione dello spessore della struttura da costruire. Per le sezioni relativamente sottili, si usano sabbia e ghiaia con dimensioni al di sotto di 6,4 mm. All'altro estremo, per il calcestruzzo usato nella costruzione di grandi dighe, si usano anche sassi e ciottoli che misurano fino a 15 cm e oltre di diametro. Quando viene mescolato con l'acqua, il cemento si idrata, formando composti colloidali e cristallini: questi determinano la presa del calcestruzzo, che indurendosi diventa una massa assai tenace, con tendenza a irrobustirsi ancora di più col passare del tempo. Inoltre, in presenza di umidità, il calcestruzzo continua a rafforzarsi per anni.

I vari tipi di calcestruzzo solitamente sono classificati in base al rapporto tra i volumi a secco di cemento e di inerti usati. Una miscela 1:2:3, ad esempio, consiste in una parte di cemento, due parti di sabbia e tre parti di inerti grossolani. Le proporzioni degli ingredienti possono essere variate in base all'uso previsto, in modo da modificare opportunamente le caratteristiche finali del materiale, in particolare la resistenza e la durevolezza. I rapporti possono variare da 1:2:3 a 1:2:4 a 1:3:5, mentre il rapporto tra quantità di acqua e cemento varia da 1 a 1,5. Per ottenere un calcestruzzo altamente resistente, si tiene basso il contenuto di acqua, usando solo la quantità necessaria per bagnare la miscela.

STORIA

Il calcestruzzo, con pozzolana e calce comune come leganti, fu adoperato già dagli antichi romani col nome di betonium; vi sono anche rari esempi di ritrovamenti di barre di bronzo annegate nella massa del calcestruzzo, disposte in maniera intuitiva, che non permettono però di considerarlo cemento armato vero e proprio. Inoltre la differente dilatazione termica dei due materiali produceva problemi di scheggiatura.

L'invenzione del cemento armato è generalmente attribuita alla scoperta fortuita di un giardiniere parigino di nome Joseph Monier: nel tentativo di produrre vasi da fiori, avrebbe notato che la gabbia di metallo usata per trattenere e modellare il cemento dimostrava la proprietà di non staccarsi facilmente dal calcestruzzo stesso. Il 16 luglio 1867 Monier si faceva rilasciare il suo primo brevetto per la realizzazione di vasi da fiori.



Negli anni successivi seguirono brevetti per tubi, serbatoi, solette piane e curve, scale ecc. In tali brevetti si riscontrano già tutti i concetti principali per l'armatura del cemento.

Prima di essere utilizzato nell'edilizia, il cemento armato fu impiegato nell'industria navale. L'avvocato francese J. L. Lambot costruì una piccola imbarcazione con una struttura metallica ricoperta di calcestruzzo, che fece sensazione all'Esposizione universale di Parigi del 1855. Nel 1890 l'italiano C. Gabellini iniziò la costruzione di scafi navali in cemento.

Anche se già nel 1830 in una pubblicazione intitolata The Encyclopaedia of Cottage, Farm and Village Architecture si suggeriva che una grata di ferro poteva essere inglobata nel calcestruzzo per formare un tetto, il primo ad avere introdotto il cemento armato nell'edilizia è considerato William Wilkinson di Newcastle. Nel 1854 egli registrò un brevetto per il "miglioramento nella costruzione di dimore a prova di fuoco, di magazzini, di altre costruzioni e delle parti delle stesse". Wilkinson eresse un piccolo cottage di due piani per la servitù, rinforzando pavimento e tetto di cemento con l'uso di barre di ferro e di cavi metallici; in seguito sviluppò varie strutture del genere.

L'architetto franco-svizzero Le Corbusier (1887-1965) fu tra i primi a comprendere le potenzialità innovative del cemento armato nell'ambito dell'architettura contemporanea ed a sfruttarlo ampiamente nelle sue opere.

DURABILITA'

Inizialmente e per molti anni si pensò che il calcestruzzo armato potesse avere una vita eterna; purtroppo ciò è evidentemente falso, perché entrambi i materiali che lo costituiscono sono soggetti a problemi che ne compromettono la resistenza nel tempo.

CAUSE

  • Carbonatazione del calcestruzzo (reazione molto lenta dell'anidride carbonica con il calcestruzzo, che porta alla corrosione dei ferri di armatura ed al lento degrado del copriferro).
  • Azione degli agenti chimici provenienti da diverse fonti quali l'inquinamento (zone cittadine o industriali).
  • Contatto con prodotti di scarico (fogne, depuratori, capannoni per allevamento di animali).
  • Contatto con un ambiente salino, e non solo quando il calcestruzzo è immerso in acqua salata, ma anche quando la sola atmosfera contiene cloro e cloruri (strutture in prossimità della costa, viadotti, pavimentazioni industriali esterne). L'attacco è diretto sopratutto ai ferri d'armatura, che vengono degradati per azione elettrochimica. Alcuni cloruri attaccano però anche il calcestruzzo, dando luogo a una sorta di desquamazione della superficie.

·        Azione del gelo cioè quando la temperatura scende più volte sotto lo zero durante l'anno. In questo caso il degrado del calcestruzzo è dovuto sia all'azione dei cicli gelo e disgelo che ai sali disgelanti, che possono corrodere i ferri d'armatura.

RIMEDI

Le varie fasi di risanamento del calcestruzzo degradato consistono:



1. Nell'asportazione di ciò che e' degradato, oltre la possibilità di recupero.

2. Nell'asportazione di ciò che sarebbe di futuro deterioramento.

3. Nel creare un adeguato supporto per le successive protezioni e ricostruzioni.

4. Nell'applicare la necessaria protezione anticorrosiva ai ferri esposti.

5. Nella ricostruzione degli strati di copriferro asportati e mancanti.

6. Nella messa in opera di eventuali addizionali presidi strutturali atti a riportare i manufatti alla portanza originale o adeguarla alle nuove esigenze.

7. Nella creazione di un nuovo stato corticale protettivo.

                                                                                                                           

                                                                                                                                             

    PRIMA                                              DOPO

Un accorgimento per migliorare la resistenza alla corrosione delle armature nel calcestruzzo, che recentemente è stato preso in maggior considerazione, è l'utilizzo di barre d'armatura zincate; le ragioni per le quali l'utilizzo di barre zincate incrementa la durabilità delle strutture in calcestruzzo armato risiedono nel fatto che lo zinco all'interno del calcestruzzo si passiva e, al contrario di quanto accade per l'acciaio non zincato, mantiene la sua passività anche quando la pasta di cemento subisce un abbassamento del pH (che diventa <11) a causa della carbonatazione o quando il tenore di ioni cloruro supera la soglia considerata critica per l'acciaio.

   CORROSIONE  DELLE  NORMALI 

   BARRE  IN     ACCIAIO

        BARRA  DANNEGGIATA

IN CASO DI INCENDIO

Il cemento armato, come materiale composito, ha un comportamento simbiotico: il calcestruzzo protegge, con la sua ridotta conducibilità termica, l'acciaio, che gli fornisce la capacità di resistere a trazione, isolandolo dai gas caldi dell'incendio e ritardandone così la perdita di resistenza. La risposta all'incendio di una struttura di cemento armato è sostanzialmente positiva, ma la varietà e variabilità dei fenomeni connessi con lo sviluppo dell'incendio e con il comportamento del calcestruzzo soggetto a forti gradienti termici (shock termico), rende alquanto complesso il tentativo di determinare quantitativamente la risposta strutturale. L'incendio agisce sulla struttura in quanto ne riscalda gli elementi, provocando dilatazioni, coazioni, e degrado dei materiali.

BERNABE'  LUCA

CL. 4a GLA

 







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